Al2O3气凝胶常压干燥制备方法的研究

论文摘要

本文以AlCl3.6H2O为前驱体，通过溶胶-凝胶技术，以无水乙醇和水的混合溶液为反应体系，添加环氧丙烷为凝胶网络诱导剂、甲酰胺为干燥化学控制添加剂，采用含正硅酸乙酯的无水乙醇溶液浸泡凝胶、无水乙醇对凝胶进行溶剂替换等工序，在常压条件下成功制备出白色、轻质、块状的氧化铝前驱物-氢氧化铝气凝胶，经过500℃煅烧后得到氧化铝气凝胶。论文研究了环氧丙烷、无水乙醇、水以及甲酰胺等制备参数对气凝胶比表面积的影响，并通过正交实验确定最优反应配比为n（Al）：n（环氧丙烷）：n（无水乙醇）：n（水）：n（甲酰胺）=1：8：8：20：0．8。该条件下制备出的气凝胶密度为1 38kg／m3，比表面积为560m2／g，孔体积为1．982cm3／g；微组织结构是由长度为10-100nm、宽度为2-5nm左右的长条状颗粒之间相互交联形成具有独特的三维空间网络结构。对所制备的前驱物气凝胶进行高温煅烧处理，在经过500℃煅烧后成功制备出γ-Al2O3气凝胶，具有423m2／g的比表面积，1．638cm3／g的孔体积以及集中分布在20nm左右的孔径分布；气凝胶的骨架是由长条状、宽度为25nm左右的一维纳米线交织构成三维空间网络结构。由于采用含正硅酸乙酯的无水乙醇溶液浸泡凝胶，使得凝胶结构中含有SiO2，SiO2的存在抑制了Al2O3的烧结和相变；一方面正硅酸乙酯与Al2O3表面的羟基发生缩合反应，另一方面Al2O3表面的羟基被不易移动的Si-OH所取代，生成的Si-O-Al或Si-O-Si键牢固地镶嵌在了γ-Al2O3表面，抑制了粒子间烧结颈的形成，从而使得该气凝胶具有一定的高温抗烧结和高温抗相变性能，在经过1000℃煅烧后仍然具有较高的比表面积（122m2／g）和较大的孔体积（0．564cm3／g）。通过在溶胶制备阶段直接添加不同含量的硅对气凝胶的制备工艺进行了简化探索研究。研究发现，添加10％含量的硅可以制备出性能较优的气凝胶产品；经过500℃煅烧后制备出的氧化铝气凝胶具有289m2／g的比表面积和1．127cm3／g的孔体积。与采用正硅酸乙酯／无水乙醇混合溶液浸泡工艺所得的气凝胶产品相比较，简化工艺制备出的气凝胶产品在比表面积、孔体积等性能上要差很多，最佳工艺条件有待进一步探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 氧化物气凝胶的研究历史
• 1.3 氧化物气凝胶的性能
• 1.4 氧化物气凝胶的制备方法
• 1.4.1 前驱物制备方法
• 1.4.2 前驱物干燥方法
• 1.4.3 热处理方法
• 1.5 课题提出及研究内容
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验所用试剂与仪器
• 2.1.1 实验所用试剂
• 2.1.2 实验所用仪器
• 2.2 氧化铝气凝胶的制备
• 2.2.1 制备原料的选择
• 2.2.2 湿凝胶的制备
• 2.2.3 凝胶的老化与干燥
• 2.2.4 气凝胶的热处理
• 2.3 样品的分析表征方法
• 2.3.1 热重-差热分析（TG-DTA）
• 2.3.2 X射线衍射（XRD）
• 2.3.3 高分辨透射电镜（HRTEM）
• 2.3.4 扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 傅立叶红外光谱（FT-IR）
• 2吸附-脱附'>2.3.6 N₂吸附-脱附
• 第三章 氢氧化铝气凝胶的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 氢氧化铝溶胶-凝胶制备原理
• 3.3 氢氧化铝气凝胶的制备
• 3.3.1 环氧丙烷用量对凝胶时间和比表面积的影响
• 3.3.2 醇-水体系中无水乙醇用量对凝胶时间和比表面积的影响
• 3.3.3 醇-水体系中水用量对凝胶时间和比表面积的影响
• 3.3.4 甲酰胺用量对凝胶时间和比表面积的影响
• 3.3.5 正交优化
• 3.4 最优条件下氢氧化铝气凝胶的组织结构分析
• 3.4.1 氢氧化铝气凝胶的吸附曲线及孔分布
• 3.4.2 氢氧化铝气凝胶的热分析
• 3.4.3 氢氧化铝气凝胶的相组成
• 3.4.4 氢氧化铝气凝胶的微观组织结构
• 3.4.5 氢氧化铝气凝胶的红外吸收光谱
• 3.5 本章小结
• 第四章 氧化铝气凝胶的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 氧化铝气凝胶的制备
• 4.3 氧化铝气凝胶的组织结构分析
• 4.3.1 氧化铝气凝胶的XRD分析
• 4.3.2 氧化铝气凝胶的吸附曲线及孔分布分析
• 4.3.3 氧化铝气凝胶的SEM及TEM分析
• 4.3.4 氧化硅对抑制高温相变及比表面积损失的机制探讨
• 4.4 氧化铝气凝胶制备工艺的简化探索
• 4.4.1 氧化铝气凝胶的简化工艺制备
• 4.4.2 简化工艺制备出样品的热分析
• 4.4.3 简化工艺制备出样品的XRD分析
• 4.4.4 简化工艺制备出样品的吸附曲线及孔分布分析
• 4.4.5 简化工艺制备出样品的红外光谱分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文