论文摘要
A12O3是一种重要的化工原料，广泛应用于冶金、航天、电子、化学化工等诸多领域。A12O3的性质主要取决于其形貌和结构特点。而A12O3通常是通过煅烧其前驱体而获得。γ-AlOOH是A12O3的前驱体中最常见和经常使用的前驱体。因此，研究γ-AlOOH的制备方法及其形貌和结构的变化对于制备不同性质的A12O3是一件十分重要的工作。本论文利用绿色试剂-离子液体为模板剂或者结构诱导试剂通过水热法一步合成了形貌完整的、结构均匀的3Dγ-AlOOH材料（空心球和纳米花结构），煅烧后获得了形貌和结构保持不变的3Dγ-A12O3材料。同时深入研究了离子液体结构的变化对产物γ-AlOOH和γ-A12O3的形貌、物相结构、孔道性质、热转化过程和表面酸性的影响，试图揭示离子液体辅助合成3D-纳米材料的本质原因和形成机理，以便为以后合成不同性质的A12O3材料奠定基础。本论文首先利用离子液体与纳米粒子的相互作用力以及极强的热稳定性和良好的溶解性能，成功地以离子液体[C4mim]+Cl-为辅助剂通过水热法一步合成了介孔3Dγ-AlOOH空心球结构，并详细地考察了反应条件对γ-AlOOH形貌和结构的影响。实验结果表明离子液体[C4mim]+Cl-对γ-AlOOH的形貌的形成起着关键作用，在无离子液体帮助下，γ-AlOOH无法形成空心球结构。此外，还对离子液体辅助合成3Dγ-AlOOH空心球的形成机理进行了研究，并提出了“聚集-溶解-重结晶”的形成机理。其次，根据离子液体结构可调的原理，通过调变的离子液体烷基的长度（[C4mim]+Cl-、[C8mim]+Cl-和[C16mim]+Cl-）和阴离子的类型（亲水型[C4mim]+Cl-和疏水型[C4mim]+PF6-）来进一步考察离子液体对产物的织态结构（形貌和孔道性质）的影响。实验结果表明：（1）阴离子的类型不仅对产物的形貌有影响，还对其产物的物相结构有影响。在亲水型Cl-基离子液体条件下，产物的物相结构均为γ-AlOOH。而在疏水型PF6-基离子液体条件下，由于阴离子PF6-分解，产物的物相结构不再是γ-AlOOH，而是含氟化合物-AlF1.96（OH）1.04。（2）烷基链的长度对产物的织态结构有重要影响。在烷基链较短的[C4mim]+Cl-下，产物γ-AlOOH的形貌不会随着离子液体[C4mim]+Cl-含量的增加而发生变化，始终都保持空心球的形貌。但产物γ-AlOOH的比表面积和孔径较小的介孔的数量会随着离子液体[C4mim]+Cl-含量的增加而增加。而在烷基链较长的[C8mim]+Cl-或者[C16mim]+Cl-下，产物γ-AlOOH的形貌和孔道结构会随着离子液体含量的增加而发生改变。在浓度较低情况下，γ-AlOOH的织态结构的变化趋势与[C4mim]+Cl-一致。而在浓度较高的情况下，γ-AlOOH的形貌会从最初的空心球的结构转变为后来的纳米花结构，而γ-AlOOH的比表面积则会随着离子液体含量的增加而减小。以此同时，通过TEM、SEM、FT-IR等多种手段，分析了上述变化的形成机制并提出了相应的离子液体诱导纳米粒子形成3Dγ-AlOOH纳米材料的形成机理：空心球的“聚集-溶解-重结晶”机理；纳米花的“粘度-控制”机理。接着，在上述实验的基础上进一步探索了离子液体[Cnmim]+Cl-（n=4、8、16）对产物γ-AlOOH和γ-A12O3的物相结构和表面性质（热稳性和表面酸性）的影响。实验结果表明：（1）离子液体易吸附在γ-AlOOH的（020）晶面并诱导其形成类似于梭形的片状基本结构；（2）离子液体烷基链的长度对γ-AlOOH的热转化过程有明显影响，特别是对其表面吸附的羟基数目有明显影响。在烷基链较短的[C4mim]+Cl-下，γ-AlOOH在200-600℃摩尔脱水率即表面羟基的数目会随着离子液体[C4mim]+Cl-含量的增加而增加。而在烷基链较长的[C8mim]+Cl-或[C16mim]+Cl-下，γ-AlOOH表面羟基的数目会随着离子液体含量的增加而发生变化。在低浓度时，γ-AlOOH表面羟基的数目的变化趋势与[C4mim]+Cl-相似。而在高浓度时，γ-AlOOH表面羟基的数目会随着离子液体含量增加而减小。详细地分析了其形成原因，提出了相应形成机制；（3）煅烧产物γ-Al2O3表面酸性位的含量的变化趋势与γ-AlOOH热转化过程中表面羟基数目的变化趋势一致，即在烷基链较短[C4mim]+Cl-下，γ-Al2O3表面酸性位的含量随着[C4mim]+Cl-含量的增加而不断增加，而在烷基链较长[C8mim]+Cl-和[C16mim]+Cl-下，γ-Al2O3表面酸性位的含量先是随着离子液体含量的增加而增加，后随着离子液体含量增加而减小。但不论离子液体的烷基链的长度怎么改变，γ-Al2O3的表面只拥有L酸性位，无B酸性位，且γ-Al2O3中的L酸性位绝大多数为强度较弱的弱酸性位（120-300℃）。最后，推广和简化了此反应体系，以纳米花γ-AlOOH和γ-Al2O3的合成验证了上述离子液体诱导纳米粒子的形成3D-纳米材料的形成机理，探索并提出了离子液体回收和再利用的新方法。