分层次三维纳米/微米氢氧化铝、氧化铝组装分化体系的建立及其微观机制研究

本项目拟采用两条途径建立分层次三维纳米/微米氧化铝组装体系。在组装机制研究中重点研究铝源种类和表面活性剂类型对组装体系微观结构及性能的影响，探讨相关的组装机理，建立相应的组装模型。在分化机制研究中重点研究溶剂类型、改性剂种类及添加量等工艺参数对相结构演变以及微观形貌演变的影响，探讨相关的分化机理，建立分化模型。.本项目的创新点在于提出了一条建立分层次三维纳米/微米粉体材料的新途径- - 块体分化机制，在没有结构导向剂存在下靠三维块体向纳米基元分化方式可以制备出棒状、管状、片状材料自组装的三维纳米/微米氢氧化铝和氧化铝粉体材料，为开发氢氧化铝和氧化铝特殊性能，开辟其应用领域的新空间创造了又一途径，该理论的建立也将弥补现有组装理论的空白。

本项目采用自组装技术和分化机制，通过水热方法合成了三维海胆状、花状和中空球形纳米/微米薄水铝石和氧化铝，系统研究了制备工艺参数对产物形貌的影响，详细分析了薄水铝石三维结构的形成机理，建立了晶体的生长模型。本项目的主要研究内容及成果概括如下：. 在乙醇—水溶液体系中，利用结晶氯化铝作为反应物，水热合成三维海胆状薄水铝石，经过高温焙烧得到γ-Al2O3，考察了不同铝盐前体、不同醇种类、水醇比例、反应温度及反应时间等因素对三维海胆状薄水铝石形貌的影响。在上述实验结果的基础上推断了海胆状薄水铝石的形成是由表面自由能F与自组装自由能△G互相竞争和酸侵蚀协同作用共同作用造成的。在水溶液体系中，利用阳离子表面活性剂辅助水热合成三维花状薄水铝石，经过高温焙烧得到γ-Al2O3，考察了加料顺序、铝盐与尿素摩尔比、CTAB摩尔数、填充度、反应温度及反应时间等因素对三维花状薄水铝石形貌的影响。推断了花状薄水铝石的形成机理，并运用其形成机理阐释了各种反应因素对产物形貌的影响。在花状薄水铝石的生长过程中，模板剂CTAB起到关键作用，通过CTAB与铝离子的有机—无机协同作用，CTAB形成三维花状胶束，随反应时间的延长，铝离子直接在花状胶束内沉积，最终形成三维花状结构。采用不同介质，对种分法获得的氢氧化铝进行水热处理获得了片插花型薄水铝石。对各介质改性的机理进行分析和研究表明，产物形貌的转变受晶相转变影响，其中三水铝石靠氢键结合为块体结构，而薄水铝石相由于氢键的破坏，转变为片状结构，碱式碳酸铝铵相的一维方向的优势生长使其构成薄板条结构；此外，由于受水热环境和多种离子的综合作用，产物能够从块体分化成稳定的三维微纳米结构。采用硫酸铝为原料，在不同醇水比例下获得中空球形及花型薄水铝石，煅烧后得到γ-Al2O3。研究表明产物由实心球体向中空球形分化过程中起关键作用的因素仍然是相转变，正是由于中间相碱式硫酸铝的存在，才使得产物的微观形貌经历了一个分化过程。对中空球形薄水铝石的煅烧过程进行了动力学分析，结果表明煅烧过程的机理函数为g(a)=[1-(1-a)1/3]2，属于D3模型，是球形对称的三维扩散过程，该过程的活化能Ea=175.123 kJ•mol-1.