材料化学实验

1/8材料化学基础实验报告指导教师：刘飞实验名称：基于拟薄水铝石法的γ-Al2O3的制备与表征试验方法：液相沉淀法表征手段：SEM电子扫描分析实验小组：第二组组长：饶刚1108110413组员：李虎1108110409郑航1108110410罗轶1108110411王晓庆1108110412何孝1108110414罗旭1108110415冷洋1108110416田路1108110418王凯1108110419罗远洋1108110420桂国迁1108110421于典谦1108110422王国松1108110408整理撰写本报告：饶刚于典谦实验：罗轶1108110411罗远洋1108110420表征：饶刚1108110413何孝1108110414实验结果分析讨论：其他组员2/8基于拟薄水铝石法的γ-A12O3的制备与表征引言氧化铝具有非常稳定的机械、热学和化学性能，在吸附、分离和催化等诸多领域有着广泛的应用。然而，不同行业对氧化铝的物理化学性能有不同的要求，通常通过提高其纯度或改变其晶型、形貌、孔度、尺寸以及微观结构等物理性质，可制备出符合各种行业需求的、具有某种特定性质的化学品氧化铝。目前已经产业化或研究报道的化学品(或多品种)氧化铝已多达数百种，其中γ-A12O3是应用较广泛的化学品氧化铝之一，它属于缺陷尖晶石型结构，由于具有较大的比表面积和很强的表面吸附性能等优良的表面性质，常被作为催化剂载体、干燥剂和吸附剂等，广泛应用于石油化工、有机化学、橡胶、化肥和环保等工业部门。近年来，国内外学者在γ-A12O3。的合成方面开展了大量的研究工作，其产品性能得到了大幅度提高。本文对近年来国内外合成介孔γ-A12O3的各种方法进行了较全面的总结，并在此基础上提出了今后高性能介孔γ-A12O3。制备的研究方向。一丶拟薄水铝石又名一水合氧化铝、假一水软铝石，分子式Al2O3·nH2O(n=0.08-0.62)，无毒、无味、无臭、白色胶体状（湿品）或粉末（干品），晶相纯度高、胶溶性能好，粘结性强，具有比表面高、孔容大等特点，其含水态为触变性凝胶。可作半合成稀土Y型分子筛裂化催化剂的粘结剂，硅酸铝耐火纤维的粘结剂，酒精脱水制乙烯催化剂和还氧乙烷催化剂等，还可作生产催化剂载体、活性氧化铝及其他铝盐的原料。其于400～700℃间焙烧的产品γ-Al2O3被广泛用作催化剂载体、催化剂和吸附剂等；于1100～1200℃间煅烧可得纳米级α-Al2O3，广泛用作涂料添加剂、高档陶瓷、石油化工的高效催化剂、亚微米/纳米级研磨材料和抛光材料、化妆品填料和无机膜材料等，是一类具有广阔发展前途的新型材料。此外还是合成磷铝分子筛及杂原子磷铝分子筛的首选铝源。对于合成磷铝分子筛及杂原子磷铝系列分子筛来说，最好在加入磷源和铝源的同时伴随着氧源的加入。而一般铝盐的铝原子上没有连接有氧原子，若用它做铝源，则很难或得足3/8够的氧源，所以一般情况下不用铝盐。考虑到反应混合物均匀分散的要求，加入的铝源最好能溶于弱酸或中等强度的酸溶液中，而三氧化二铝或氢氧化铝只溶于强酸或强碱溶液中，不利于反应混合物的分散，不太合适做铝源。而拟薄水铝石可以满足氧源和反应混合均匀分散的要求，是实验首选的铝源。二、γ-A12O3简介γ-氧化铝是纳米氧化铝xz-L290显白色蓬松粉末状态，晶型是γ-Al2O3。粒径是20nm；比表面积≥230m2/g。纳米氧化铝xz-L290,粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。极易分散在溶剂水里面；不需加分散剂，只需搅拌，即可在溶剂乙醇、丙醇、丙二醇、异丙醇、乙二醇单丁醚、丙酮、丁酮、苯、二甲苯内分散均匀。多添加在环氧树脂，塑料等中。1、性质又称γ-氧化铝(γ-aluminumoxide)。一类多孔性的氧化铝固体，具有比表面积大(约为200～600m2/g)和孔隙率大的特性。有强吸附能力和催化活性。活性氧化铝有多种晶型结构和名称。一般在氧化铝前冠以希腊字母命名(如α-、χ-、ρ-、η-、γ-等)。通常所指的“活性氧化铝”，一种含义是指活性γ-Al2O3；另一种含义则是泛指X-、η-和γ-Al2O3的混合物。随制造工艺的不同、同名称活性氧化铝的表面活性的差异极大。通常先制备水合氧化铝，经加热(459～500℃)缓慢或快速脱水都可制得。采用不同的脱水方法和煅烧温度、可得不同的活性氧化铝。用作吸附剂、干燥剂、催化剂及其载体。2、用途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6-8h还能再生重复使用。刚玉粉硬度大可用作磨料，抛光粉，高温烧结的氧化铝，称人造刚玉或人造宝石，可制机械轴承或钟表中的钻石。氧化铝也用作高温耐火材料，制耐火砖、坩埚、瓷器、人造宝石等，氧化铝也是炼铝的原料。煅烧氢氧化铝可制得γ-Al2O3。4/8γ-Al2O3具有强吸附力和催化活性，可做吸附剂和催化剂。三、技术指标：1.纳米氧化铝xz-L290外观白色粉末。2.纳米氧化铝xz-L290晶相γ相。3.纳米氧化铝平均粒度(nm)20±5.4.纳米氧化铝含量%大于99.9%。四、应用范围:1.纳米氧化铝xz-L290透明陶瓷：高压钠灯灯管、EP-ROM窗口。2.纳米氧化铝xz-L290可做化妆品填料。3.单晶、红宝石、蓝宝石、白宝石、钇铝石榴石。4.高强度氧化铝陶瓷、C基板、封装材料、刀具、高纯坩埚、绕线轴、轰击靶、炉管。5.纳米氧化铝xz-L290精密抛光材料、玻璃制品、金属制品、半导体材料、塑料、磁带、打磨带。6.涂料、橡胶、塑料耐磨增强材料、高级耐水材料。7.纳米氧化铝xz-L290可做气相沉积材料、荧光材料、特种玻璃、复合材料和树脂材料。8.催化剂、催化载体、分析试剂。9.宇航飞机机翼前缘。五、背景氧化铝，化学式为Al2O3，有多种晶型结构和名称,一般在氧化铝前冠以希腊字母命名(如α-、β-、χ-、ρ-、η-、γ-、κ-、δ-、θ-等)。5/8①自然界存在的刚玉属α-Al2O3，金属铝在氧气中燃烧，或将氢氧化铝灼烧至高温也能得α-Al2O3，它最稳定，熔点2015℃，沸点2980℃，莫氏硬度8.8。它既不溶于水，也不溶于酸和碱，耐腐蚀和绝缘性能好，可用于制造耐火材料、砂轮和绝缘材料。刚玉中因含少量杂质而显不同颜色。高温熔融得到的α-Al2O3可做人造刚玉，用于钟表和精密仪器的轴承及人造宝石。②将氢氧化铝加热至300℃以上时可得到γ-Al2O3，它不溶于水，能溶于酸和碱，在低温下稳定，灼烧至高温，就会转变成α-Al2O3。γ-Al2O3是一种多孔物质，具有很大的表面积，因此，它有很强的吸附能力和很高的催化活性，大量用作催化剂载体，使一些活性很高但价格昂贵的催化剂(如铂、钯等)分布在载体表面，可以减少催化剂用量，但却有很大的表面。六、合成关键问题1、一些常规的操作（称量、加热、搅拌、过滤等）。2、对反应条件的控制（反应物配比、反应温度、pH值、反应时间等）七、目的1、掌握溶胶-凝胶法制备γ－Al2O3催化剂。2、了解催化剂制备条件对催化活性的影响。3、了解催化剂的表征方法（差热分析、X射线粉末衍射仪和气相色谱仪等）。4、了解催化剂催化活性的测定方法。将氢氧化铝加热至300℃以上时可得到γ-Al2O3，它不溶于水，能溶于酸和碱，在低温下稳定，灼烧至高温，就会转变成α-Al2O3。γ-Al2O3是一种多孔物质，具有很大的表面积，因此，它有很强的吸附能力和很高的催化活性，大量用作催化剂载体，使一些活性很高但价格昂贵的催化剂(如铂、钯等)分布在载体表面，可以减少催化剂用量，但却有很大的表面。八、原料试剂6/81、99.5％（质量分数）铝粉，一定浓度的NaOH溶液，12%H2O2，100g/LAl2O3。2、仪器：磁力搅拌器，抽滤机，三口烧瓶，电动搅拌机，兰格蠕动泵，0.2微米微孔滤膜，ICP-AES分析仪，超级恒温水浴槽九、步骤1、γ-A12O3的制备1、称取37.5gAl（NO3）3▪9H2O，加注170ml去离子水，充分搅拌，待用。2、配制1∶3的氨水，待用。3、将Al（NO3）3溶液置于30℃水浴中，并以500r/min转速搅拌。4、将氨水用蠕动泵以20ml/min流速流入Al（NO3）3溶液直至其PH=9.0。5、继续搅拌一小时。6、过滤、醇洗、水洗。8、80℃温度干燥12小时。9、600℃煅烧3小时。2、表征(SEM扫描电镜)扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。SEM与电子探针（EPMA）的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪（WDS）。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。扫描电子显微镜观测电畴是通过对样品表面预先进行化学腐蚀来实现的，由于不同极性的电畴被腐蚀的程度不一样，利用腐蚀剂可在铁电体表面形成凹凸不平的区域从而可在显微镜中进行观察。因此，可以将样品表面预先进行化学腐蚀后，利用扫描电子显微镜图像中的黑白衬度来判断不同取向的电畴结构。对不同7/8的铁电晶体选择合适的腐蚀剂种类、浓度、腐蚀时间和温度都能显示良好的电畴图样。一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度。因为二次电子信号主要来处样品表层5－10nm的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探测器很容易全部被收集，所以二次电子图像无阴影效应，二次电子易受样品电场和磁场影响。二次电子的产额δ∝K/COSθ。K为常数，θ为入射电子与样品表面法线之间的夹角，θ角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。表征结果：0.00.20.40.60.81.0050100150200250300350VolumeAdsorbed(cm3/g)RelativePressure(P/P0)0.00.20.40.60.81.0050100150200250300350图1氧化铝氮气吸附等温线8/80510152025303540450.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18IncrementalPoreVolum(cm3/g)PoreWidth(nm)图2氧化铝孔径分布图（BJH模型）由表征结果可得出结论：由图一（氧化铝氮气吸附等温线），相同温度下，随着相对压强的增大，氮气体积吸附值增加，到达一定值后，趋于平衡。其最大吸附值所对应的相对压强为0.82，最适值为0.82～0.92之间。由图二（氧化铝孔径分布图，BJH模型），在一定范围内，氧化铝孔体积增加值随其孔径的增大而增大，增大到一定程度后，到达最大值，而后开始减小，减小到一定程度，保持恒定。其最大体积增量所对应的孔径约为9.9nm。结果表明：本实验取得成功。