一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备方法

摘要

本发明涉及一种一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备方法。主要解决以往技术在制备一维纳米氧化铝材料时的成本高、制备及后处理复杂、环境污染大的问题。本发明通过采用将无定形氧化铝，金属铜的混合物I与酸性水溶液蒸气和有机溶剂蒸气的混合物II在100～240℃条件下互相接触，催化重整；反应生成薄姆石纳米线/纳米棒，然后在600～1200℃条件下将薄姆石纳米线/纳米棒焙烧3～24小时得氧化铝纳米线/纳米棒的技术方案，较好地解决了该问题，可用于制备一维氧化铝纳米线/棒材料的工业生产中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备方法。

背景技术

一维或准一维纳米材料的调控合成，被认为是研究其它低维功能材料的基础，哈佛大学著名科学家C.M.Lieber教授认为，一维体系是可用于电子有效传输及光激发的最小维度结构，因此可能成为实现纳米器件集成与功能的关键。氧化铝是国民生活和生产中大量遇到的材料。最长用到的为γ型氧化铝与α型氧化铝。γ型氧化铝是一种多孔性物质，每克的内表面积高达数百平方米，活性高吸附能力强。工业品常为无色或微带粉红的圆柱型颗粒，耐压性好。在石油炼制和石油化工中是常用的吸附剂、催化剂和催化剂载体；在工业上是变压器油、透平油的脱酸剂，还用于色层分析；在实验室是中性强干燥剂，其干燥能力不亚于五氧化二磷，使用后在175℃以下加热6～8小时还能再生重复使用；α型氧化铝不溶于水和酸，可用于制各种耐火砖、耐火坩埚、耐火管、耐高温实验仪器；还可作研磨剂、阻燃剂、填充料等；高纯的α型氧化铝还是生产人造刚玉、人造红宝石和蓝宝石的原料；还用于生产现代大规模集成电路的板基。

一维纳米氧化铝结合了纳米材料的优点与本身多功能性的特点是近年来科研界及工业界研究的热点。例如：李等通过Al₄O₄C的转变法制备了α型氧化铝纳米管[Yubao Li，Yoshio Bando，et al.Adv.Mater.2005，17，1401]；方等用模板法制备了α型氧化铝的纳米带[X.S.Fang，C.H.Ye，et al.J.Mater.Chem.，2003，13，3040]。这些低维纳米氧化铝在具有本身特点的同时，又具有量子效应，展现光致发光的特征。然而，一维纳米材料的各向异性和超小尺寸给它的设计和合成带来了较大困难。更由于氧化铝需要由含水氧化铝材料高温焙烧才能转晶成α型或γ型，致使一维氧化铝材料的制备存在着成本居高不下、制备条件极其苛刻，后处理复杂、环境污染大等问题。一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备还存在着很大的挑战，常规合成方法限制了此类低维氧化铝纳米材料的发展及工业应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是即现有技术中存在的成本居高不下、制备条件极其苛刻，后处理复杂、环境污染大的问题，提供了一种新的一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备方法。该方法具有制备过程简单；制备成本低；环境友好的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一维氧化铝纳米线/纳米棒的方法，包括以下步骤：a)首先将无定形氧化铝和金属铜混合得混合物I；b)在反应温度为100～240℃条件下，酸性水溶液蒸气和有机溶剂蒸气的混合物II与混合物I相接触，反应生成薄姆石纳米线/纳米棒；c)在600～1200℃条件下将薄姆石纳米线/纳米棒焙烧3～24小时得氧化铝纳米线/纳米棒。上述技术方案中金属铜作为催化剂优选方案为铜丝、铜片或铜质容器。酸性水溶液的pH值优选范围为1～＜7；酸性水溶液优选方案选自磷酸水溶液、盐酸水溶液或硝酸水溶液中的至少一种。有机溶剂优选方案选自甲苯、戊-辛烷中至少一种。反应温度优选范围为110～200℃，反应时间优选范围为6～48小时。

在这里，铜作为催化剂，无定形氧化铝在其催化作用及蒸气重整作用下自发形成纳米线/纳米棒。不同的pH值的水蒸气在这里起到了控制长径比的作用，即在低pH值的情况下，薄姆石倾向形成长径比低的纳米棒，pH值偏向中性情况下，薄姆石倾向形成长径比低的纳米线。而在碱性条件下，则生成了纳米片结构。由此可以推测，在低pH，酸条件下所产生的H⁺有利于薄姆石沿着(0b0)晶面生长，形成一维结构；而在高pH，碱条件下所产生的OH^-有利于薄姆石沿着(a00)或(00c)晶面生长形成二维结构。使用本发明的方法，整个过程通过简单的酸碱性调变和铜催化反应，成功地制备了不同长径比的一维氧化铝纳米线/纳米棒。由于不需要添加任何模板剂、不需要复杂的设备和后处理、其溶剂可以反复利用，大大降低了反应的成本，同时亦对环境友好，取得了较好的技术效果。

附图及说明

图1.1为实施例1中，水相pH＝1条件下制备的薄姆石纳米棒的扫描电镜(SEM)图片。

图1.2为实施例7中，水相pH＝6条件下制备的薄姆石纳米线的扫描电镜(SEM)图片。

图1.3为比较例1中，水相pH＝9条件下制备的薄姆石纳米片的扫描电镜(SEM)图片。

图2为实施例1所得薄姆石材料的电子衍射(ED)图片

图3为实施例1所制备的薄姆石[AlO(OH)]，γ型氧化铝(γ-Al₂O₃)与α型氧化铝(α-Al₂O₃)的XRD衍射谱。分别完美地对应了三种晶相的标准谱线。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。

具体实施方式

【实施例1】

一维氧化铝纳米线/纳米棒的制备以薄姆石纳米棒为例。包括以下步骤：a)首先将无定形氧化铝，金属铜混合得混合物I，b)反应温度为100～240℃条件下，酸性水溶液蒸气和有机溶剂蒸气的混合物II与混合物I相接触，反应生成薄姆石纳米线/纳米棒；c)在600℃条件下将薄姆石纳米棒焙烧6小时得γ型氧化铝纳米线/纳米棒；在1200℃条件下焙烧6小时得及α型氧化铝纳米线/纳米棒。

【实施例2～11】

按照实施例1的制备条件与步骤，只是改变酸性水溶液的组份与pH值、有机溶剂的种类、反应温度、反应时间、焙烧温度，可得到不同长径比，不同晶体结构的一维纳米氧化铝纳米线/纳米棒，具体结果列于表中。

【比较例1～5】

按照实施例1的方法，使加入的水溶液pH呈现碱性，可得到不同大小的纳米片层结构。

如图1.1，1.2，1.3的SEM照片所示，低pH值条件得到长为几微米，直径100纳米的纳米棒；中pH值条件合成可得到长为几十微米，直径100纳米的纳米线；高pH值条件得到几百纳米大小的纳米片。图2所示ED元素分析表明该材料为氧化铝组成。图3为600℃及1200℃焙烧后样品XRD粉末衍射谱如图，与γ型氧化铝，α型氧化铝的标准谱相一致。

具体实施例及比较例结果总结见下表。