熔盐法合成片状α-氧化铝及其形貌的调控研究

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以硫酸铝和碳酸氢氨铵为原料,在表面活性剂的存在下,经低热固相反应法合成得到前驱体碱式碳酸铝铵(AACH)。再以前驱体碳酸铝铵和NaCl,KCl和K2SO4熔融盐(AACH:NaCl:KCl:K2SO4=2:1:1:0.1)在1000℃下煅烧成功合成得到片状α-Al2O3。用TG-DTA、XRD、SEM和PSA等分析手段对前驱物和产物进行了表征。考察了实验条件对片状α-Al2O3的形成及形貌的影响。通过改变熔盐的组成和焙烧温度等手段,实现了对氧化铝形貌的调控。   首先揭示了前驱体碱式碳酸铝铵的合成规律。在一步低热固相反应制备碳酸铝铵的过程中,陈化温度是制备AACH的关键因素,最佳温度为60℃;不同物料比,陈化时间也对过程有影响。Al2(SO4)3·18H2O/NH4HCO3=1:10,即Al/NH4+=1:5时混合陈化4h为最佳;不同的表面活性剂对产物的结晶不明显影响,但影响生成的AACH形貌,而这对生成最终产物氧化铝也有重要影响;而不同铝盐对AACH基本无影响。   对于片状α-Al2O3的调控形成。碱式碳酸铝铵与NaCl,KC1和K2SO4熔盐,按照AACH:NaCl:KCl:K2SO4=2:1:1:0.1(质量比)在1000℃下高温热焙烧5h即可制得规则的正六边形片状或板状α-Al2O3,粒径大约为5μm。   然后揭示了片状α-Al2O3形成前的过渡产物。随着焙烧温度的不断升高,前驱体先分解,然后形成不定型态的氧化铝、γ-Al2O3、β-Al2O3、θ-Al2O3等中间态,最终生成了稳定的α-Al2O3。   接下来,针状及颗粒状α-Al2O3的调控形成。以离子液体为模板剂制取的前驱体碱式碳酸铝铵,在相同的熔盐NaC1,KCl和K2SO4(AACH:NaCl:KCl:K2SO4=2:1:1:0.1)在1000℃下高温热分解制得具有针状的α-Al2O3,长度为5-20μm,直径为100-200nm.其他表面活性剂(OP和吐温)得到的多数为颗粒状,少部分为不规则片状。   不同表面活性剂制得的碳酸铝铵具有不同的形貌:PEG制得的为片状,离子液体和吐温制得的为颗粒。而前驱体的形貌则在一定程度上决定着α-Al2O3的形貌。几种不同表面活性剂(PEG、[Bmim]BF4、OP-10和吐温-80)在其他条件相同的情况下,得到了三种形貌截然不同的氧化铝(针状、圆形和正六边形片状)。   最后对前驱体AACH进行了热分解动力学研究。在不同升温速率条件下,利用Coats-Redfem法,算出在100-400℃下失重的过程属化学反应,可能的机理为Anti-Jander函数,G(a)=[(l+a)1/3-1]2,属于三维扩散。平均E=113.0kJ·mol-1,平均lnA=23.O。用Flynn-Wall-Ozawamethod和Kissinger方程两种方法验证,所得结果都比较吻合,说明该机理函数和活化能结果具有一定的可靠度。
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