一种制备高纯α-Al2O3纳米晶体材料的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制备高纯α-Al2O3纳米晶体材料的方法，属于晶体材料工程领域。
【背景技术】
一般认为晶粒度尺寸在纳米量级的晶体材料称之为纳米晶，因其独有的结构特征，具有优良的理化性质和特殊的光，电，磁等特性，纳米晶体材料在功能材料及结构材料的许多领域有着广阔的应用前景，使得其制备方法倍受关注。其中，α-Al2O3就是一种非常重要的无机纳米晶体材料，其在包括微电子器件，催化剂载体，光学器件，磁性材料，以及高强度材料等的广泛领域，都拥有良好的应用潜力。
制备纳米α-Al2O3材料的传统化学方法包括气相反应法，沉淀法，溶胶-凝胶法，醇盐水解法，水热或溶剂热方法等。人们普遍采用这些方法，首先生成水合氧化铝(AlOOH)，然后在加热条件下，发生AlOOH→β-Al2O3→γ-Al2O3→α-Al2O3的转变，而这一转变的程度则关键地取决于加热的温度和保温时间。通常实现向α-Al2O3的转变需要在高于1200℃的温度条件下进行，然而这样的高温烧结过程，使得晶体的大小难以控制。
此外，各种传统方法还存在成本高，产率低，纯度低，操作复杂，设备要求高，污染环境等方面的缺点和局限性。例如，气相反应法存在产率低，收集难，反应物和气体导入控制不稳定，和反应器的结构设计技术的限制。醇盐水解法和溶胶-凝胶法对反应控制要求十分严格，毒性有机溶剂会对环境造成污染，不适宜工业化大量生产。所以近年来，研究者们一直试图寻找在温和条件下制备高质量纳米晶体材料的新方法。
【发明内容】
本发明所要解决的问题是提供一种工艺条件较温和，简单实用，无污染，纯度高的α-Al2O3纳米晶体材料的制备方法，解决传统方法的缺点和局限性。
本发明提供的α-Al2O3纳米晶体材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将Al(NO3)3·9H2O溶解于相同质量的去离子水中，加入到含羟基的有机溶剂中，形成混合物；所述含羟基的有机溶剂具有如下两种基本结构中的任意一种：
结构通式中R代表含1～5个C原子的正烷基；
(2)向混合物中加入网络辅助剂，均匀混合成为前驱体溶液；所述的网络辅助剂为含有多个羟基的醇类，醛类或酮类化合物；
(3)将前驱体溶液持续加热升温至180℃，恒温至少0.5小时后自然冷却，形成松散的大体积有机物前驱体；
(4)将前驱体干磨，之后在1100℃条件下煅烧2小时，待冷却后形成白色的粉末产物。
前述步骤(1)中所述有机溶剂为三乙醇胺或季戊四醇。
前述步骤(2)中所述网络辅助剂选自山梨醇、甘露醇、戊五醇、环己六醇、麦芽糖或果糖中的一种。
本发明具有以下特点：本发明之制备的α-Al2O3纳米晶体具有圆棒状的形貌，长度范围约为150～300nm，直径大都在90nm～130nm范围内。步骤(1)中，将Al(NO3)3·9H2O溶解后，Al3+与含羟基的有机溶剂形成具有网络结构的金属络合物；步骤(2)中，加入的网络辅助剂，可与有机溶剂发生羟基缩合反应，为前驱体的网络结构起到保护和加强的作用；步骤(4)中，煅烧过程中形成的NO2，NO，CO2，H2O气体，可以使首先形成的Al2O3晶核相互分开，以“嵌入”的方式存在于前驱体的网络结构中；气体的挥发有利于体系散热，抑制小晶体间形成烧结；成本低廉，工艺简单，制备周期短，设备要求低，易于操作；产物纯度高，重复性好，粒径分布窄、结晶性好，较少的表面缺陷。反应原料、中间产物及最终产物均无毒无污染。
【附图说明】
图1为本发明实施例1，2，3三种前驱体化合物的红外光谱图；
图2为本发明实施例1煅烧所得产物的粉末X-ray衍射图，表明产物为单一的三方相；
图3为本发明实施例1煅烧所得产物的SEM组织图，放大倍数为100000，表明产物呈圆棒状，三维尺寸约为100nm×100nm×300nm。
【具体实施方式】
一种制备纯度高，粒径均匀，结晶性好的α-Al2O3纳米晶体材料的方法。使用硝酸铝和含羟基的有机溶剂为原料，及多羟基有机物为网络辅助剂。首先，Al3+与含羟基的有机溶剂形成具有网络结构的金属络合物前驱体，加入的多羟基有机物网络辅助剂，可与有机溶剂发生羟基缩合反应，对网络结构起到保护和加强的作用。经过干磨后的前驱体，在1100℃空气条件下煅烧2小时，自然冷却后得到α-Al2O3纳米晶体材料。
图2为实施例1煅烧所得产物的粉末X-ray衍射图，完全符合三方晶系α-Al2O3的特征衍射峰，并未发现其它氧化铝晶型对应的特征衍射峰。图3为实施例1煅烧所得产物地SEM微观组织形貌，圆棒状的α-Al2O3晶体粒径均匀，结晶性好，晶粒间存在互联现象，是α-Al2O3晶体的典型组织。
以下为具体实施例：
实施例1：
称取1.36g季戊四醇粉末，溶解在去离子水中，配制成浓度为0.05g/mL的季戊四醇溶液。称取1.86g Al(NO3)3·9H2O粉末，溶解到等量的去离子水中，然后加入到季戊四醇溶液中。称取1.71g蔗糖，加入到混合溶液中，磁力搅拌20min，速度为500r/min，成为前驱体溶液，pH值为3.0～4.0。将此前驱体溶液放入加热炉中持续升温至180℃，恒温0.5小时，待自然冷却后，形成了松散的大体积有机前驱体。将此前驱体在玛瑙石研钵中进行干磨，然后放入硅碳棒加热炉中，在空气环境下，以8～10℃/min的速度升温至1100℃，煅烧时间为2小时。所得亮白色粉末产物为圆棒状α-Al2O3纳米晶体，三维尺寸约为100nm×100nm×300nm。
实施例2：
称取1.36g季戊四醇粉末，溶解在去离子水中，配制成浓度为0.05g/mL的季戊四醇溶液。称取1.86g Al(NO3)3·9H2O粉末，投入季戊四醇溶液中。称取1.82g甘露醇，加入到混合溶液中，磁力搅拌20min，速度为500r/min，成为浅黄色的前驱体溶液，pH值为3.0～4.0。将此前驱体溶液放入加热炉中持续升温至180℃，恒温0.5小时，待自然冷却后，形成了棕黄色松散的大体积有机前驱体。将此前驱体在玛瑙石研钵中进行干磨，然后放入硅碳棒加热炉中，在空气环境下，以8～10℃/min的速度升温至1100℃，煅烧时间为2小时。所得亮白色粉末产物为圆棒状α-Al2O3纳米晶体，三维尺寸约为110nm×110nm×300nm。
实施例3：
称取1.86g Al(NO3)3·9H2O粉末，溶解到等量的去离子水中，然后加入到三乙醇胺溶剂中。称取1.82g山梨醇，加入到混合溶液中，磁力搅拌20min，速度为500r/min，成为前驱体溶液，pH值为3.0～4.0。将此前驱体溶液放入加热炉中持续升温至180℃，恒温0.5小时，待自然冷却后，形成了松散的大体积有机前驱体。将此前驱体在玛瑙石研钵中进行干磨，然后放入硅碳棒加热炉中，在空气环境下，以8～10℃/min的速度升温至1100℃，煅烧时间为2小时。所得亮白色粉末产物为圆棒状α-Al2O3纳米晶体，三维尺寸约为120nm×120nm×300nm。