李曉云，于海斌，孫彥民，曾賢君，李世鵬，隋云樂，周鵬，楊文建

（中海油天津化工研究設(shè)計院，天津300131）

水熱合成水合氧化鋁的研究進展

李曉云，于海斌，孫彥民，曾賢君，李世鵬，隋云樂，周鵬，楊文建

（中海油天津化工研究設(shè)計院，天津300131）

擬薄水鋁石與薄水鋁石是2種重要的水合氧化鋁，是制備γ-氧化鋁和α-氧化鋁的重要前驅(qū)體。傳統(tǒng)方法制備的水合氧化鋁越來越無法滿足現(xiàn)代煉油化工等行業(yè)的需求，水熱法已成為一種合成水合氧化鋁的重要方法。對水熱法制備水合氧化鋁的現(xiàn)有技術(shù)做了概括，包括以有機醇鋁、無機鋁鹽、活性氧化鋁等多種前驅(qū)體為原料水熱合成水合氧化鋁的研究工作，并在此基礎(chǔ)上對該技術(shù)的發(fā)展做了展望。

水合氧化鋁；擬薄水鋁石；薄水鋁石；水熱合成

1　工藝特點與現(xiàn)狀

擬薄水鋁石和薄水鋁石是2種重要的水合氧化鋁，它們是制備γ-氧化鋁、α-氧化鋁等多種晶型氧化鋁的重要前驅(qū)體。擬薄水鋁石是一種結(jié)晶不完整，具有層狀結(jié)構(gòu)的水合氧化鋁；而薄水鋁石結(jié)晶完整，理化性質(zhì)與擬薄水鋁石非常接近，二者均為層狀結(jié)構(gòu)。通常認為［1］，擬薄水鋁石中的水可分為結(jié)晶水、層間結(jié)構(gòu)水和表面吸附水，其中結(jié)晶水是結(jié)合最牢固的水分子，層間結(jié)構(gòu)水靠氫鍵與膠體粒子結(jié)合在一起，表面吸附水靠范德華力吸附在膠體離子表面；而薄水鋁石只有結(jié)晶水和層間結(jié)構(gòu)水。目前，工業(yè)上擬薄水鋁石的生產(chǎn)方法按原料不同，主要分為中和法和醇鋁法。中國生產(chǎn)擬薄水鋁石主要以中和法為主，該法原料便宜，生產(chǎn)成本低，但需消耗大量酸堿，除雜過程廢水排放多。醇鋁法是指德國Condea公司開發(fā)的一種以高純鋁旋屑和高級醇（正戊醇、正己醇）為原料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)擬薄水鋁石的工藝，該法產(chǎn)品晶型好、孔結(jié)構(gòu)容易控制、比表面積大和純度高；但該法使用的有機溶劑具有一定毒性，生產(chǎn)成本較高。薄水鋁石主要在外生作用中形成，是鋁土礦的主要礦物成分，人工合成主要采用水熱法制備。

隨著石油煉制與化工行業(yè)對這種重要的催化劑載體前驅(qū)體——擬薄水鋁石的需求日益精細化，包括具有特定孔結(jié)構(gòu)、獨特的酸性能等，現(xiàn)有方法生產(chǎn)的擬薄水鋁石品種已越來越無法滿足應(yīng)用的要求。由于水熱法可制備結(jié)晶良好、分散性能佳的粉體，直接影響粉體晶粒物相和形貌，因此水熱法不僅用于薄水鋁石的合成，同時也成為一種合成擬薄水鋁石的重要方法，現(xiàn)今已引起國內(nèi)外科研工作者們的廣泛關(guān)注。水熱法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在通過高溫和/或高壓的條件提高反應(yīng)物的反應(yīng)活性，使常溫、常壓下難以進行的反應(yīng)能夠發(fā)生，在相對較低的溫度條件下合成低熔點、高蒸汽壓及高溫易分解的物質(zhì)，一般不需要進一步的高溫燒結(jié)，即可獲得低缺陷、高結(jié)晶度、取向完美的晶體，可有效避免因燒結(jié)而導(dǎo)致的晶粒長大和物相轉(zhuǎn)變等問題。通常水熱法制備的材料具有結(jié)晶度高、團聚度低、形貌尺寸可控、粒度分布窄等特點。在水熱法合成水合氧化鋁的過程中，通過選擇合適的表面活性劑或助劑，調(diào)解適宜的水熱反應(yīng)條件可得到不同尺寸和形貌的擬薄水鋁石，大部分實例中，表面活性劑或助劑選擇性地吸附在特定的晶面上，通過降低表面能實現(xiàn)晶體的特異性生長。

2　水熱合成水合氧化鋁技術(shù)現(xiàn)狀

2.1有機醇鋁水熱合成水合氧化鋁的研究

近年來，科研工作者們在有機醇鋁水熱合成擬薄水鋁石方面做了很多的研究。N.Nagai等［2］以異丙醇鋁為前驅(qū)體，在95℃下蒸除異丙醇進行預(yù)膠凝化，進一步添加醋酸于150℃下水熱處理，得到大長徑比的γ-AlOOH納米線。該方法制得的納米線進一步在水中分散后，可制備柔軟、可打印且具備光致發(fā)光效應(yīng)的透明薄膜。

劉超等［3］研究了異丙醇鋁水熱處理制備擬薄水鋁石與薄水鋁石過程中，水熱溫度對產(chǎn)物晶相與微觀形貌的影響。隨著溫度的提高，產(chǎn)物由結(jié)晶性能差的擬薄水鋁石向結(jié)晶性良好的薄水鋁石相轉(zhuǎn)變，從褶皺的納米薄片交聯(lián)團狀結(jié)構(gòu)向規(guī)則的菱形片狀形貌轉(zhuǎn)變。

張波等［4］以PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物P123為模板劑，異丙醇鋁為鋁源，水為介質(zhì)通過水熱合成制備了擬薄水鋁石，進而焙燒得到孔道結(jié)構(gòu)呈蠕蟲狀、比表面積較大、平均孔徑為15 nm左右、孔容在1.0 cm3/g以上的氧化鋁介孔材料。

王晶等［5］將異丙醇鋁水解產(chǎn)物進行水熱處理，改變了水合產(chǎn)物的性能，解決了醇鹽水解法制備氧化鋁水合物結(jié)晶度差、粉體形貌不規(guī)則、粒度分布不均勻等問題，通過控制水熱條件實現(xiàn)了對水合氧化鋁結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

2.2無機鋁鹽水熱合成水合氧化鋁研究

以廉價的無機鋁鹽或偏鋁酸鈉為原料水熱合成擬薄水鋁石是水熱法制擬薄水鋁石的一個重要發(fā)展方向。無機鋁鹽水熱反應(yīng)過程中，借鑒分子篩的合成方法，添加模板劑或其他助劑以實現(xiàn)對產(chǎn)物尺寸和形貌的調(diào)控是控制產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的常用方法。

蔡衛(wèi)權(quán)等［6］在硫酸鋁和尿素水熱合成薄水鋁石過程中，加入十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、酒石酸鈉和聚乙二醇2000，可實現(xiàn)對產(chǎn)物形貌和粒徑的有效調(diào)控，但對產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)無影響。賁虎等［7］以EDTA-2Na為螯合劑，鋁鹽為鋁源，尿素為沉淀劑，采用水熱法使反應(yīng)物以氣液界面接觸反應(yīng)合成了γ-AlOOH納米片及納米棒，考察了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度對產(chǎn)物形貌、晶型的影響。Liu Ye等［8］報道了陽離子表面活性劑CTAB輔助水熱合成由納米葉片組裝成的花狀薄水鋁石結(jié)構(gòu)的方法。劉輝等［9］報道了微波水熱法合成γ-AlOOH和γ-Al2O3納米片的方法，以硝酸鋁和尿素為原料，聚乙烯吡咯烷酮為表面活性劑，在180℃微波水熱條件下，僅需30 min即可得到γ-AlOOH，進一步焙燒制得γ-Al2O3納米片。單佳慧等［10］以硝酸鋁為鋁源，P123為模板劑，NaOH、Na2CO3和K2CO3分別為沉淀劑，添加部分硝酸鈰，水熱合成出負載Ce的擬薄水鋁石，進一步焙燒得到負載Ce的金屬有序介孔γ-Al2O3，進一步評價表明，用NaOH為沉淀劑制備的樣品對模型燃油中的噻吩具有較好的吸附性能。曹魁［11］在硝酸鋁水溶液中，以尿素為沉淀劑，SDBS陰離子表面活性劑為模板劑水熱合成了由納米薄片自組裝成的具有三維花狀結(jié)構(gòu)的薄水鋁石材料。朱振峰等［12］以硫酸鋁和尿素為原料，CTAB與酒石酸鈉為模板劑在165℃條件下水熱反應(yīng)得到了花狀的γ-AlOOH結(jié)構(gòu)。

由于模板劑的引入帶來了高成本、去除模板劑過程易破壞產(chǎn)物結(jié)構(gòu)等缺點，無模板水熱合成γ-AlOOH的研究也引起了人們廣泛的關(guān)注。選用不同的鋁源與沉淀劑，控制水熱反應(yīng)條件同樣可制得各種形態(tài)的擬薄水鋁石產(chǎn)品。

蔡衛(wèi)權(quán)課題組在無模板劑無機鋁鹽水熱合成擬薄水鋁石方面做了大量的研究工作。以AlCl3·6H2O、Al（NO3）3·9H2O和尿素為原料，水熱處理得到了樹枝狀的γ-AlOOH［13］，進一步熱處理后得到對剛果紅和Cd（Ⅱ）、Cr（Ⅵ）具有吸附性能的γ-Al2O3。以KAl（SO4）2·12H2O和尿素為原料［14］，水熱處理得到由γ-AlOOH納米片組成的多級納米結(jié)構(gòu)。Al2（SO4）3-CO（NH2）2-H2O體系在不同反應(yīng)溫度可得到呈多孔、針狀團簇體狀的微米級低密度薄水鋁石晶體［15］，140℃時氫氧化鋁凝膠或無定形粉體的析出已基本完成，繼續(xù)升高水熱反應(yīng)溫度，產(chǎn)物結(jié)晶度提高，堆積密度與比表面積均有一定程度的增加。

傅小明［16］以AlCl3為鋁源，NaOH為沉淀劑，采用水熱法在180℃、pH=9的條件下反應(yīng)48 h，合成了長度大于300 nm和直徑約為8 nm的γ-AlOOH納米棒。溫度和pH的升高，都有利于合成大長徑比的γ-AlOOH納米棒，且光吸收能力也隨長徑比增加而增強。孟范成等［17］在低pH條件下，以硝酸鋁與尿素為原料采用無模板水熱法制備了單分散、尺寸均一的核桃狀分級結(jié)構(gòu)的γ-AlOOH，其組成單元為納米纖維，對剛果紅表現(xiàn)出良好的吸附特性。呂勇等［18］用硝酸鋁和檸檬酸鈉水熱合成了核殼結(jié)構(gòu)的γ-AlOOH微球，通過控制反應(yīng)時間與濃度變化制得不同尺寸與形貌的產(chǎn)物。Zhang Jun等［19］采用氯化鋁為鋁源，硼酸鈉為沉淀劑，200℃的水熱條件下合成了納米纖維組成的束狀γ-AlOOH。Zhu You等［20］以硝酸鋁為鋁源，尿素為沉淀劑，制備出比表面積為48 m2/g、孔徑為11 nm且表觀形貌為3/4球狀γ-AlOOH。王莉等［21］研究了氯化鋁與氨水中和制得的鋁膠水熱反應(yīng)生成γ-AlOOH晶須的過程，進一步探討了γ-AlOOH晶須的生長機理。

無機鋁鹽水熱反應(yīng)過程加入有機溶劑，采用水熱法和溶劑熱法，依靠2種溶劑的有機-無機協(xié)同作用可制得結(jié)構(gòu)新穎的納米微粒。

王晶課題組以硫酸鋁為原料，乙醇水溶液為溶劑，采用水熱法合成了多種形貌的薄水鋁石材料，160℃下水熱反應(yīng)［22］得到中空球形薄水鋁石，200℃下水熱反應(yīng)［23］得到具有立方形貌的粉體。在乙醇-水混合溶劑中［24］，以三氯化鋁為鋁源，無模板劑的條件下水熱合成了由一維薄水鋁石納米棒在分子間作用力下定向附著組裝成的三維海膽超結(jié)構(gòu)。進一步在乙醇水體系中，以CTAB為模板劑，尿素為沉淀劑，考察了無機鋁源中陰離子對產(chǎn)物形貌的影響［25］，硝酸鋁為前驅(qū)體可獲得納米薄片組裝成的花形AlOOH，氯化鋁為反應(yīng)物可獲得由納米棒組裝成的三維海膽形AlOOH，硫酸鋁為前驅(qū)體可獲得中空球形AlOOH。Cai Weiquan等［26］以Al（NH4）（SO4）2· 12H2O、尿素、檸檬酸鈉在無水乙醇-水混合溶劑體系中，水熱反應(yīng)制得了薄水鋁石型空心球。

2.3活性氧化鋁水熱合成水合氧化鋁研究

活性氧化鋁是指由三水鋁石快速煅燒脫水制得的無定形氧化鋁，通常又稱為快脫粉。活性氧化鋁制備成本低廉，具有高的孔隙率的優(yōu)勢，但同時也因其若干缺點限制其廣泛應(yīng)用，比如活性氧化鋁具有高的反應(yīng)自由能，呈現(xiàn)高的反應(yīng)活性，本身很不穩(wěn)定等［27］。近年來，活性氧化鋁水熱轉(zhuǎn)晶生成擬薄水鋁石的路線同樣引起了國內(nèi)外科研工作者們的關(guān)注。

美國的格雷斯公司最早在專利中報道了活性氧化鋁與氫氧化鋁制備擬薄水鋁石的方法［28］，通過添加作為晶體大小生長抑制劑的硅酸鹽和/或磷酸鹽，可制備出晶粒為2～20 nm的擬薄水鋁石，通過控制各物料比例可調(diào)整產(chǎn)品的比表面積、孔容和平均孔徑。佐藤護郎［29］將活性氧化鋁分散在酸性體系進行水熱處理，制得了纖維狀的擬薄水鋁石溶膠，該溶膠氧化鋁濃度極高，特別適合用作氧化鋁載體或加氫催化劑，其平均直徑為3～50 nm，平均長度為30～3 000 nm。

李曉云等［30］考察了活性氧化鋁在不同pH條件下水熱再水合制備擬薄水鋁石的過程，堿性環(huán)境可制得片狀擬薄水鋁石；酸性環(huán)境可得到小孔容的針狀團簇體粉末；中性環(huán)境得到大顆粒的擬薄水鋁石粉體。活性氧化鋁水熱轉(zhuǎn)晶過程加入晶種和分散劑，產(chǎn)品的比表面可大幅提高［31］。經(jīng)球磨處理的活性氧化鋁與氫氧化鋁在弱堿環(huán)境下緩慢水熱轉(zhuǎn)晶可得到同時具有大比表面積和大孔容的擬薄水鋁石產(chǎn)品［32］。

2.4其他方法水熱合成水合氧化鋁研究

除有機醇鋁、無機鋁鹽、活性氧化鋁為原料水熱合成水合氧化鋁外，晶種種分法、金屬水熱氧化法等多種方法均為水熱合成水合氧化鋁開拓了新思路、新途徑。

蔡衛(wèi)權(quán)等以碳酸氫鈉粉為晶種［33］，水熱種分過飽和的偏鋁酸鈉溶液，在125℃以上水熱反應(yīng)即可生成純的擬薄水鋁石晶相。將晶種來源進一步推廣［34］，首先將硫酸鋁和尿素水熱反應(yīng)生成低密度的擬薄水鋁石，隨后以此為晶種通過水熱種分過飽和鋁酸鈉溶液制備了低密度薄水鋁石，延長種分時間或增加種分溫度均有助于目標產(chǎn)物晶相薄水鋁石的生成，抑制副產(chǎn)物三水鋁石的形成。

王達健［35］以高純鋁絲為原料，在高純水中于250～350℃下水熱反應(yīng)，使鋁絲被水熱氧化制得了高純度擬薄水鋁石，通過調(diào)整鋁絲線圈的長度與直徑，高純水比例以及自生壓力積蓄速率等調(diào)整單批擬薄水鋁石的產(chǎn)出量。

3　應(yīng)用與展望

水熱法制備水合氧化鋁極大豐富了現(xiàn)有擬薄水鋁石與薄水鋁石的制備方法。不同制備方法可制備宏觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異很大的擬薄水鋁石和薄水鋁石，如比表面積、孔容、孔徑、密度等，擬薄水鋁石與薄水鋁石的優(yōu)越特性與形態(tài)多樣性決定了它們的應(yīng)用非常廣泛。γ-氧化鋁與α-氧化鋁除用作催化劑與載體外，在汽車尾氣凈化、造紙等行業(yè)也廣泛應(yīng)用。汽車尾氣凈化技術(shù)的三元催化轉(zhuǎn)化器通過在蜂窩形多孔陶瓷表面涂覆高比表面積γ-Al2O3涂層，進而負載所需的金屬催化劑而制備。現(xiàn)階段該涂層仍需進口，亟需實現(xiàn)國產(chǎn)化。高檔造紙行業(yè)也需要γ-Al2O3涂層，目前同樣依賴進口。這些γ-Al2O3均由擬薄水鋁石或薄水鋁石制得，其關(guān)鍵就是高性能的擬薄水鋁石與薄水鋁石制備技術(shù)的開發(fā)。盡管水熱法制備擬薄水鋁石與薄水鋁石已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)十年的研究，但其結(jié)構(gòu)的多變性為掌握其規(guī)律帶來復(fù)雜性，至今仍未能實現(xiàn)準確控制產(chǎn)品的形態(tài)，尚未準確掌握水合過程的反應(yīng)規(guī)律，今后的研究還需對反應(yīng)機理做進一步深入研究，充分掌握反應(yīng)規(guī)律，以期能夠定制生產(chǎn)具有特定表面特性、孔道結(jié)構(gòu)和表觀形貌的擬薄水鋁石和薄水鋁石產(chǎn)品。

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聯(lián)系方式：nklyun@126.com

Research progress of synthesizing hydrated alumina by hydrothermal method

Li Xiaoyun，Yu Haibin，Sun Yanmin，Zeng Xianjun，Li Shipeng，Sui Yunle，Zhou Peng，Yang Wenjian
（CNOOC Tianjin Chemical Research&Design Institute，Tianjin 300131，China）

Pseudo boehmite and boehmite are two kinds of important hydrated alumina，which are important precursors for preparing γ-alumina and α-alumina.The traditional methods for synthesizing hydrated alumina have been increasingly unable to meet the needs of the modern refining and chemical industries，and the hydrothermal method has become an important method for synthesizing hydrated alumina.The recent development and the present state of synthesizing hydrated alumina by hydrothermal method，with organic aluminum，inorganic aluminum salt，and activated alumina etc.as the aluminum source，was reviewed.The development of the technology was also prospected on the basis.

hydrated alumina；pseudo boehmite；boehmite；hydrothermal synthesis

TQ133.1

A

1006-4990（2015）11-0007-04

2015-05-15

李曉云（1981—），男，高級工程師，主要從事催化材料方面的研究，已公開發(fā)表文章10余篇。