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气相燃烧合成Al_2O_3纳米材料及结构

作　者: 丁宏秋
导　师: 李春忠；胡彦杰
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料化学工程
关键词: 多重射流燃烧喷雾燃烧纳米Al2O3 空心结构形成机理
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

具有特定组成、尺寸、形貌的纳米材料可以表现出其特殊的应用性能,使得其在科学与商用领域都受到广泛关注。气相燃烧合成技术由于反应快速高效,后处理简单,连续化程度高,易于工业化生产等优点,已广泛用于制备各种结构和功能的纳米材料。对气相燃烧合成过程中材料成核生长、晶相转变、结构调控和生长机理等问题的深入研究具有重要的理论意义和实用价值。本文利用多重射流燃烧反应装置与喷雾燃烧装置,制备了Al2O3纳米颗粒与纳米空心球,利用TEM、HRTEM、SEM、XRD、N2吸附、激光粒径等方法研究了材料的形貌、结构、晶型组成、孔径分布等特性,探讨了高温火焰中材料微结构的形成机理及形态控制方法,取得了如下研究成果：1、利用多重射流氢氧焰燃烧反应装置,以AlCl3为前驱体制备了具有不同形貌和晶型结构的Al2O3纳米颗粒。实验结果表明,随着反应温度的升高,纳米Al2O3的粒径从7.6 nm增大到34.4 nm。同时随着反应温度的升高和在高温火焰中停留时间的延长,晶型由单纯γ晶相逐渐转变为高温的δ、δ*晶相。产物纳米Al2O3颗粒具有较强亲水性,其分散液具有较强的稳定性,8 days后仍具有非常好的分散性能。通过调节多重射流燃烧反应室上部气膜气体流量可以改变燃烧室内的流场和高温气流的冷却速率进而控制颗粒粒径及其分布状态。最终产物的粒径和团聚体形貌取决于颗粒表面生长速率(Rg)和颗粒之间烧结凝并速率(Rs)在不同火焰温度(T)和不同停留时间(t)条件下的相互竞争。较高的反应温度和较短的停留时间有利于具有链状结构的小颗粒团聚体的形成,反应温度升高和停留时间延长有利于颗粒粒径的增大和团聚体的烧结。2、采用喷雾燃烧装置,以硝酸铝的乙醇溶液为前驱体,制备了具有不同形貌结构的Al2O3纳米微球。研究结果表明以空气作为扩散/氧化气体,产物为Al2O3空心球；而氧气用作扩散/氧化气体时,产物为实心Al2O3颗粒。无论空气还是氧气作为扩散/氧化气体,随着扩散/氧化气体流量增加,产物颗粒粒径减小,比表面积增大,总孔容增大。随空气流量增加,纳米Al2O3由球形规整、壁厚较小的空心球变为球形结构规整的实心颗粒。最终产物Al2O3的结构受初始液滴大小(Dd),火焰温度(T),停留时间(t)的共同影响。混合均匀的前驱体溶液经气体辅助雾化为液滴,气液体积比是决定喷雾液滴大小的关键因素,随着气液体积比的增加,喷雾液滴直径减少；当液体进料量一定时,扩散气体流量增加,雾化烧嘴出口剪切速率增大,产生液滴直径减小。当氧气用作扩散/氧化气体时,由于氧气加速喷雾燃烧,使得火焰更加明亮,火焰长度较同流量下空气火焰稍短；随着扩散气体流量增加,火焰长度变短。同样的扩散气体流量,空气火焰温度较低,大的液滴发生表面沉积、成核形成空心结构；同流量下,氧气火焰最高温度可高于空气火焰1000 K,使得燃烧速率成倍增长,表面成核可以延伸至液滴中心,得到实心Al2O3颗粒。较高空气/氧气流量下得到直径较小的初始液滴,使得液滴内部浓度梯度减小,发生体沉积、成核形成实心小颗粒。3、采用喷雾燃烧装置,通过非离子表面活性剂辅助喷雾热解成功的制备了表面多孔、结构规整的Al2O3空心球。空心球粒径60-80 nm,壳层厚度10-20 nm。选择A1(NO3)3·9H2O为前驱体。因不同前驱体溶液经历的转化过程不同,以挥发性铝盐AICl3为铝源,经历气态到颗粒的转换过程,得到Al203为实心小颗粒与大颗粒所组成的混合物；而Al(NO3)3·9H2O为非挥发性铝源经历液态到颗粒的转换过程,得到Al203为空心囊泡与实心小颗粒所组成混合物。说明Al(NO3)3·9H2O更易得到空心结构。选择PEG-2000为辅助添加剂。添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)制备Al203不仅存在壳层较厚的空心结构,同时存在空心结构团聚烧结后的不规整形状。CTAB添加于A1(NO3)3·9H2O的乙醇溶液,得到表面张力升高,粘度增大的黄绿色液体,使得喷雾形成的液滴直径有所增大。由于CTAB在乙醇中良好的溶解性,以及无机盐中NO-3对CTAB离子之间排斥力的削弱作用,使得CTAB在乙醇蒸发的同时不断向液滴中心扩散,将表面热量不断传递至中心,使得成核不断延伸,形成壳层较厚的空心结构。而非离子表面活性剂PEG-2000可影响喷雾液滴的理化性质,表面活性剂PEG-2000的添加降低了气液平衡界面张力以及运动粘度,使得雾化产生的液滴直径较小。PEG-2000分子链上活泼的氧原子和Al3+所组成的交联体系有利于维持液滴的球形形状以及液滴在高温气流中的稳定性,起到液滴稳定剂的作用。使得所制备的产物Al203空心球较未添加非离子表面活性剂的Al203球形规整,介孔数量升高,具有较大比表面积。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章文献综述  15-31
  1.1 气相燃烧合成概述  15-21
    1.1.1 气相燃烧合成的分类  15-16
    1.1.2 VAFS过程的描述  16-17
    1.1.3 VAFS过程的影响因素  17-19
    1.1.4 FSP过程的描述  19-20
    1.1.5 FSP过程的影响因素  20-21
  1.2 气相燃烧反应器研究进展  21-27
    1.2.1 扩散火焰燃烧反应器  21-23
    1.2.2 预混合平板火焰燃烧反应器  23
    1.2.3 喷雾燃烧反应器  23-24
    1.2.4 新型燃烧反应器开发及应用  24-27
  1.3 Al_2O_3纳米颗粒制备及其应用  27-28
  1.4 空心球的制备与应用  28-30
  1.5 本文研究思路与主要内容  30-31
第2章氢氧焰燃烧制备纳米Al_2O_3颗粒及分散性能  31-42
  2.1 引言  31
  2.2 实验部分  31-35
    2.2.1 主要原料和设备  31-32
    2.2.2 实验方案  32-34
    2.2.3 测试表征  34-35
  2.3 结果与讨论  35-41
    2.3.1 Al_2O_3颗粒的形貌  35
    2.3.2 Al_2O_3颗粒的晶型  35-36
    2.3.3 Al_2O_3颗粒粒径  36-37
    2.3.4 纳米Al_2O_3颗粒分散性能  37-38
    2.3.5 反应装置气膜气体的影响  38-40
    2.3.6 高温火焰中纳米Al_2O_3颗粒的生长团聚机理  40-41
  2.4 本章小结  41-42
第3章喷雾燃烧制备Al_2O_3纳米微球及结构调控  42-57
  3.1 引言  42
  3.2 实验部分  42-45
    3.2.1 主要原料与设备  42-44
    3.2.2 实验方案  44
    3.2.3 测试表征  44-45
  3.3 理论计算  45-48
    3.3.1 最小扩散气体截面积计算  45
    3.3.2 液滴初始大小计算  45-48
  3.4 结果与讨论  48-56
    3.4.1 火焰结构  48-49
    3.4.2 初始液滴大小的影响  49-50
    3.4.3 燃烧速率的影响  50
    3.4.4 停留时间的影响  50-52
    3.4.5 喷雾燃烧制备Al_2O_3纳米微球的微观结构  52-54
    3.4.6 温度的影响  54-55
    3.4.7 喷雾燃烧过程中纳米微球形成机理  55-56
  3.5 本章小结  56-57
第4章表面活性剂辅助喷雾燃烧制备Al_2O_3空心球及其机理研究  57-68
  4.1 引言  57
  4.2 实验部分  57-59
    4.2.1 主要原料与设备  57-58
    4.2.2 实验方案  58
    4.2.3 测试表征  58-59
  4.3 结果与讨论  59-67
    4.3.1 不同铝源制备Al_2O_3结构差异  59-60
    4.3.2 Al_2O_3空心球及囊泡的形貌结构  60-62
    4.3.3 Al_2O_3空心球及囊泡的晶型结构  62
    4.3.4 Al_2O_3空心球的形成机理以及非离子表面活性剂的辅助作用  62-64
    4.3.5 不同表面活性剂制备Al_2O_3结构差异  64-67
  4.4 本章小结  67-68
第5章全文总结与展望  68-70
参考文献  70-76
致谢  76-77
攻读硕士期间发表的论文和申请专利情况  77

气相燃烧合成Al_2O_3纳米材料及结构

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