層級結(jié)構(gòu)勃姆石粉體可控制備過程與機理研究.pdf

1、近年來，具有可控尺寸和特定形貌的功能材料的設計與合成引起了研究人員廣泛的研究興趣。更簡單的方法和更有效的控制一直是可控制備領(lǐng)域不變的追求目標。作為一種重要的目標材料，納米到微米尺寸的層級結(jié)構(gòu)勃姆石粉體由于具有低密度、大表面積、特殊的結(jié)構(gòu)和形貌等特性，而使得其具有不同于大塊固體顆粒的特殊的物理和化學特性，因此激發(fā)了科研工作者極大的研究熱情。本文采用水熱及微波水熱法制備層級結(jié)構(gòu)勃姆石粉體，并對其形貌、結(jié)構(gòu)、性能及形貌演變機理進行了系統(tǒng)研究。

2、
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過簡便的水熱法合成了空心球狀勃姆石(γ-AlOOH)，為探討其結(jié)晶形態(tài)和形貌演變過程，利用X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術(shù)對不同反應時間的樣品進行了表征，并在實驗事實的基礎(chǔ)上，提出了一個由奧斯瓦爾德熟化和溶解-再結(jié)晶驅(qū)動的自發(fā)的形貌演變機理。晶型和形貌演變是一個非常復雜的過程，包括成核、生長、凝集和自組裝，所有這些步驟都可能會受到實驗條件變化的顯著影響。因

3、此，系統(tǒng)地理解形貌演變過程并在此基礎(chǔ)上調(diào)控形貌演變過程將有助于制造新穎形貌的材料。⑵以硫酸鋁溶液和尿素為原材料，兩親嵌段共聚物聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸羥基乙酯（P(St)-b-P(HEA)）作為結(jié)構(gòu)引導劑，運用微波水熱法在150℃下反應120min合成了空心微球勃姆石（γ-AlOOH）。最終產(chǎn)物通過X-射線衍射、透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）進行了表征。電鏡分析發(fā)現(xiàn)勃姆石空心微球直徑在1-2μm左右，殼厚度近乎200 n

4、m。為研究空心微球結(jié)構(gòu)勃姆石超細粉體的影響因素和形成機理，利用掃描電子顯微鏡（SEM）表征了不同反應時間的樣品，并在實驗事實的基礎(chǔ)上提出了一種自發(fā)的形貌演變機理。⑶使用Al2(SO4)3水溶液和尿素作為原料，成功地確立了一條無添加劑的微波水熱合成路線。第一次實現(xiàn)了在180℃下由微波水熱法直接合成核殼結(jié)構(gòu)勃姆石粉體。最終的產(chǎn)品通過 X-射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)進行了表征。基于更少的反應時間

5、通常意味著更少的能量消耗或過程更加環(huán)境友好這一事實，通過利用全功率微波加熱和適宜的尿素量，成功地將微波水熱法制備核殼結(jié)構(gòu)勃姆石粉體的反應時間減少到了僅需40min。與此同時，還制備了不同反應時間的反應產(chǎn)物并進行了表征，以此研究與核殼結(jié)構(gòu)形貌和勃姆石晶型演變過程相關(guān)的影響因素和可能機理。⑷使用硝酸鋁和尿素為原料，首次在10L容積的高壓釜中，采用無添加劑水熱合成路線小規(guī)模制備了均分散且晶型發(fā)育完好的片狀形貌勃姆石粉體。為探討結(jié)晶形態(tài)和形貌演

6、變過程，對不同反應時間的樣品進行了表征，并在實驗事實的基礎(chǔ)上，提出了一個由Ostwald熟化和溶解-再結(jié)晶驅(qū)動的自發(fā)的形貌演變機理。系統(tǒng)理解形貌演變過程與影響因素，不僅有利于實現(xiàn)規(guī)?；苽淦瑺钚蚊膊肥?，并且將會加快其在催化、催化劑載體、吸附、阻燃、緩釋等方面的工業(yè)應用與拓展。⑸通過結(jié)合0-1000W全功率微波加熱、200％尿素用量、更高的反應溫度等三個主要影響因素，經(jīng)180?C反應30 min，首次利用無添加劑快速微波水熱法制備了結(jié)晶

7、良好的均分散空心微球形貌勃姆石。以時間分解試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，提出反應溫度、尿素用量、微波功率范圍，或許是影響微波水熱條件下制備空心微球形貌層級結(jié)構(gòu)勃姆石粉體的關(guān)鍵影響因素。⑹通過連續(xù)調(diào)整SO42-:Cl-和SO42-: NO3-的相對比例，成功制備了從片狀組裝體到中空微球形貌的勃姆石粉體。本方法被命名為陰離子競爭法，并相信，這種決定勃姆石最終形貌的簡單又有效的調(diào)控思路，不僅是一種兩全其美，更是一種贏在起點的解決方案。⑺作為另一種共存的原料

8、，乙酸鋁被主動引入到氯化鋁/硝酸鋁-尿素水熱反應體系，不僅分擔陽離子總量，并且提供了競爭性的陰離子。這一無添加劑自我形貌控制水熱過程的關(guān)鍵，是形成CH3COO-:Cl-或 CH3COO-:NO3-競爭體系，并以此達到形貌調(diào)控及環(huán)境友好性目標。通過連續(xù)調(diào)整 CH3COO-: Cl-或CH3COO-:NO3-的相對比例，成功制備了從片狀組裝體到中空微球形貌的勃姆石粉體。為研究晶型及形貌演變過程，制備了不同反應時間的產(chǎn)品，并利用XRD、SEM

9、進行了表征。⑻作為一種同等重要的共存原料，硫酸鋁被有意識且按比例的引入到氯化鋁/硝酸鋁-尿素微波水熱反應過程中，以便形成 SO42-:Cl-和 SO42-: NO3-陰離子競爭體系。通過連續(xù)調(diào)整SO42-:Cl-和SO42-: NO3-的相對比例，成功制備了從片狀組裝體到中空微球形貌的勃姆石粉體，并利用時間分解實驗，研究了中空微球形貌及晶型演變過程。將陰離子競爭法成功引入到微波水熱過程中，既驗證了該方法的通用性，擴展了其應用領(lǐng)域，又豐富

10、了微波水熱條件下的勃姆石形貌調(diào)控思路。⑼當乙酸鋁被主動其按比例引入到氯化鋁/硝酸鋁-尿素微波水熱反應體系，以便建立CH3COO-:Cl-及 CH3COO-:NO3-陰離子競爭體系。勃姆石形貌演變過程類似一場拔河比賽，通過連續(xù)調(diào)整CH3COO-: Cl-或CH3COO-:NO3-的相對比例，勃姆石粉體逐漸從片狀組裝體轉(zhuǎn)變?yōu)榛罹奂w，并最終演變?yōu)橹锌瘴⑶蛐蚊?。對該易操作的微波水熱形貌調(diào)控方法的進一步細致研究，將為今后的工業(yè)應用提供潛在的機