纳米γ-Al2O3在工业设计中的应用研究

冯 颖

（华南理工大学， 广东 广州 510800）

纳米γ-Al2O3在工业设计中的应用研究

冯 颖

（华南理工大学， 广东 广州 510800）

γ-Al2O3是众多氧化铝中的一种，具有一系列显著特点，如多孔性、大比表面积、活性高、热稳定性好等。因此常被用作吸附剂、催化剂及催化剂载体，在石油化工、环保等领域有着极为广泛的应用。在工业设计中，由于其不同的物性表征，常被在不同的设计产品中广泛的应用。以硝酸铝和甘氨酸作为原料，采用低温燃烧合成法合成了纳米γ-Al2O3。利用XRD、透视电镜(TEM)测试方法进行了分析表征，考察了溶液的pH值、反应物的摩尔配比、煅烧温度、煅烧时间对反应产物的形成、粒径、晶型转变和形貌等方面的影响。通过实验得出相关数据，希望在工业设计中得到广泛的相关应用。

纳米γ-Al2O3; 低温燃烧合成法; 环保材料

1 新型材料介绍

近年来，经济、工业的快速发展引发一系列环境问题。污水、工业废气、废水及汽车尾气等的排放严重影响了我们周围的环境。污水中一般含有的贵金属、悬浮物、有机污染物等，工业废气中排放的 SOX、NOX，以及汽车尾气等污染问题一直没有得到很好的解决。纳米技术的发展和应用给环境保护带来了突破性进展，有可能彻底解决环境污染问题。如纳米材料应用于污水中贵金属的提炼，既能减少贵金属对环境的污染，又可以回收再利用，可谓是一举两得；纳米材料具有很大的表面积，将纳米材料应用于净水剂，得到纳米级净水剂，其吸附能力更强，去污能力更好。

AlCl3作为普通净水剂，其吸附能力较弱，而此类新型纳米级净水剂的吸附容量是它的 10～20倍；工业生产排放的 CO、SO2等有害气体造成大气污染，严重危及人类健康。若在工业生产的同时加入一种纳米级别的助烧催化剂，不但能够使生产充分进行，能源得到最大利用，而且还可以使二氧化硫有害气体被转化成有利用价值的固态硫化物，从而减少有害气体的产生[1]；目前，机动车尾气的排放也对大气造成了严重污染，碳纳米材料具有高储氢能力，可以将其做成燃料电池驱动汽车，从而极大地减少尾气排放量，降低对空气的污染程度[2]；纳米 TiO2是一种极其重要的光催化剂，具有活性高、稳定性好等优点。纳米TiO2能够有效去除废水及空气中的污染物，环境污染治理方面发挥着越来越大的作用，是目前公认的光催化反应最好的催化剂。

陶瓷材料属于材料的三大支柱之一，在很多领域有着极为广泛的应用。但是传统陶瓷材料存在一些缺点，如脆性大、均匀性不好、韧性强度不高等，这些缺点使其在一些特殊领域得不到很好的应用。将纳米技术应用于传统陶瓷材料后，能够极大地改善传统陶瓷材料的应用性能，其突出的特点表现为高硬度、低温超塑性、高韧性、耐高温等[3]。

纳米材料应用于传统涂料，能够极大地改善涂料的质量，使其耐光性、耐老化性能、耐候性等性质更突出，用途更广泛。如在涂料中添加纳米SiO2之后，其抗老化的能力将得到增强；用纳米 TiO2制造出的新一代抗菌防污涂料，具有很多的优点：能够杀死细菌、去除臭味、防止污染、自身清洁等。这种防污涂料被广泛应用于家庭住所、公共场所等内部墙壁涂饰[4]；将纳米 SiO2、TiO2等应用于汽车面漆、外墙建筑涂料，能够提高现有涂料的耐候性。

纳米材料除了在催化、环保、陶瓷、涂料等领域外，还能够被应用于其他领域发挥其独特的作用。如食品领域、信息科技领域、新能源领域、医疗领域、建筑领域等。纳米材料将会有非常广阔的发展前景。

2 纳米γ-Al2O3的应用

纳米γ-Al2O3具有大比表面积、多孔结构、表面吸附性能特别强、热稳定性好，这些独特优点使得纳米γ-Al2O3近年来被广泛被用作催化剂载体、吸附剂以及催化剂。

2.1 纳米γ-Al2O3在催化剂载体方面的应用

纳米γ-Al2O3具有高比表面积、表面吸附性能特别强，在催化剂工业中被大量用作负载活性组分的传统载体。其对催化剂的活性及选择性有重要影响，被广泛用于石油化工催化、汽车尾气净化、工业废气还原等方面。

在石油化工中，纳米γ-Al2O3载体占催化剂载体用量的绝大部分，比其他催化剂载体总量还略多些。由此可见，在催化剂载体中有着举足轻重的地位[5]。石油中的硫、氮以及氧等杂质会降低油品的质量并会对环境造成污染。这些杂质通过加氢精制能够被脱除出去，而在加氢精制过程中催化剂是必不可少的部分。除此之外作为催化剂载体在石油加氢裂化、加氢重整、脱氢反应等化工反应领域也 得到广泛的应用。

随着汽车工业的发展以及汽车饱有量的大幅递增，汽车排放的尾气带来了严重的环境污染，因此控制汽车排放污染迫在眉睫。尾气净化器的工作原理是：汽车排放出的有害物质被吸附在催化剂表面上，然后进行反应，转换成无害的气体，这样在一定程度上抑制了有害气体对大气环境的污染。由于活性氧化铝具有多孔性和很强的吸附性等优点，能够很好地被应用于汽车尾气净化。尾气净化器最重要的部分是催化剂，一般由三部分组成:高比表面的载体，催化活性组分和助催化剂。有适宜的孔结构，常常作为催化剂载体，负载贵金属或非贵金属催化活性组分。催化剂的活性好坏也取决于负载活性组分的纳米γ-Al2O3载体。

周洪柱等以复合稀土氧化物的为催化剂载体，将负载钯的超微粒子金属铁、钴、镍与γ-Al2O3粉体混合成型煅烧制成的催化剂对汽车尾气具有良好的催化转化作用。结果表明，Pt-Co/γ-Al2O3催化剂通过氧化作用，将柴油车尾气中的有害物质CO氧化生成CO2、HC氧化成H2O、NO还原成NO2，而且效果特别明显。烟气和发动机尾气排放的SOx是自然界中具有危害的气体，它是形成酸雨的主要原因。酸雨具有很强的危害性，如腐蚀建筑物、破坏生态系统及危害人类的健康，控制与减少SOx的排放已成为迫切需要解决的环保问题。

2.2 纳米γ-Al2O3在吸附剂方面的应用

纳米γ-Al2O3具有多孔性、高的比表面积，粒度均匀等特点，因此可以加工成为吸附能力极强的吸附剂。例如，纳米γ-Al2O3可以与废水中的杂质如贵金属等充分地接触，可将这些杂质最大限度地吸附在它的表面以将杂质去除干净。贵金属在污水中，不但会流失造成浪费，而且对人体的也有危害，将其提炼出来，变废为宝，一举两得。

纳米γ-Al2O3在日常生活中也有着广泛的应用。对人体的健康很重要，当人体缺乏氟时，易患斑齿病，相反则可患氟骨病，因此，需要将饮用水中过多含量的氟除去，保证氟含量在适度的范围内。纳米γ-Al2O3能够选择性地吸附氟，而且还可以循环利用。到目前为止，纳米γ-Al2O3吸附除氟被认为是一种非常有效的方法，取得了很好的效果。

另外在饮水除氟剂及其它环保净化吸附剂等方面也实现了很好的吸附效果。水体中氮磷的富营养化日益严重，因此有效地将氮磷浓度控制在一定的范围内是迫切需要解决的问题。李艳君等研究了活性氧化铝对磷的吸附性能。

研究结果表明，γ-Al2O3能够较好地吸附水中磷，从而有效地降低水体的富营养化。化工制药行业日益繁荣，但随之产生的污染物对环境也造成了一定的破坏。γ-Al2O3能够很好地吸附这些环境污染物，使其含量降低到最低值，减少对环境的污染程度。结果表明，γ-Al2O3及改性γ-Al2O3有较好的吸附能力，能够很好地应用于废水处理及污染环境的修复。

张蕾等研究探讨了纳米γ-Al2O3吸附剂Ge(Ⅳ)的吸附行为，结果表明，γ-Al2O3对锗具有较好的吸附性能，而且操作简单、方便。

2.3 纳米γ-Al2O3在催化剂方面的应用

γ-Al2O3表面具有良好的酸-碱性，因此本身就是一种极好的催化剂。在石油炼厂中，γ-Al2O3的主要用途是除去各种过程中的不良组分，保护炼油厂的设备，提高产品质量，这也是γ-Al2O3催化剂的最大用途。在烃类裂化，醇类脱水制烯和醚、脱除等反应中可将其作为活性催化剂加入反应体系中[10]。乙醇在γ-Al2O3催化剂存在下发生的脱水反应，260 ℃下主要生成乙醚，300 ℃以上生成乙烯。但是目前，γ-Al2O3作为催化剂直接用于工业生产的例子还不多。

3 实验部分

3.1 纳米γ-Al2O3粒子尺寸的表征

当氧化剂硝酸铝与甘氨酸摩尔配比为3∶5，溶液的pH值为2、煅烧温度750 ℃、煅烧时间为4 h，在这种条件下制备出的纳米γ-Al2O3粉体铜干过对其进行X射线衍， 通过样品XRD图谱与标准JCPDS-ICDD卡片（No10．0425)比较可以看出，图中2θ在19.43°、31.92°、37.62°、39.46°、45.85°、60.87°、67.03°处的衍射峰是标准γ-Al2O3的衍射峰，没有出现其它相的衍射峰。这就说明实验得到的产物是γ-Al2O3。而样品中晶粒的平均粒径可以通过谢乐公式计算。谢乐公式为：

式中：D —晶粒尺寸；

K —谢乐常数，值为0.89；

λ —X射线波长，对于CuKα是0.154 2 nm；

β —衍射峰半高宽；

θ —衍射角。

对γ-Al2O3进行TEM表征，如图1所示。通过观察我们可以看出：纳米γ-Al2O3的平均粒径在10 nm左右与XRD分析的结果相近，只是有部分团聚。

图1 纳米γ-Al2O3的TEM图Fig.1 TEM image of nano γ-Al2O3

3.2 性能分析

3.2.1 γ-Al2O3的表面效应

γ-Al2O3的颗粒大小对其性质有着深远的影响。材料最外层原子数与原子总数会随着γ-Al2O3粒径的增大而迅速减小。而随着γ-Al2O3外层原子数量增多，γ-Al2O3的表面能会快速增大，使得位于表面的原子异常活跃，并容易与其他原子相结合。因此大多数的活跃原子就会变成稳定原子，从而使其活性增加，进而使表面性能得到改善。

3.2.2 γ-Al2O3的小尺寸效应

γ-Al2O3粒子属于超细粒子，当其的尺寸小于等于光波波长和德布罗意波长时，γ-Al2O3粒子周期性的边界条件就会受到影响，这样就会使γ -Al2O3粒子表面的原子密度减少。相对普通粒子来说，γ-Al2O3粒子发生了极大的宏观物理性质的变化，这种现象称为小尺寸效应。随着粒子的尺寸减少，γ-Al2O3粒子的比表面积会随之增加，从而在许多方面产生特别的性质。

3.2.3 γ-Al2O3的量子尺寸效应

γ-Al2O3的量子尺寸效应是指γ-Al2O3粒子费米能级周围连续的电子能级随着粒子尺寸下降而达到稳定时，连续电子能级变得不连续，γ-Al2O3粒子会表现出许多特性，在宏观物质中这些特征是不会出现的。

3.3.4 γ-Al2O3的宏观量子隧道效应

在半导体物理的大环境下去观察微观粒子，当微观粒子的总能量达不到势垒高度时，这一势垒仍然能被微观粒子所贯穿的能力通常被称之为隧道效应。γ-Al2O3纳米粒子的磁化强度同样也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，这被称为γ-Al2O3纳米粒子的宏观量子隧道效应。

4 结 语

本文通过对γ-Al2O3纳米粒子材料的研究来阐述新型环保材料在工业设计中的应用，γ-Al2O3纳米粒子材料作为一种新型环保材料有它自身的性质和特征，通过对其作为催化剂载体、吸附剂以及催化剂等应用，我们可以看出新型环保材料无时无刻在我们生活中出现，而通过对其表面特征的叙述我们可以详尽的了解其性能，从而更好地应用到工业设计之中。因此新型环保材料的出现为工业生产输送了新血液。

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Application Research of Nanoγ-Al2O3in Industrial Design

FENG Ying
（South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510800，China）

γ-Al2O3has a series of distinctive features, such as porosity, large specific surface area, high activity, good thermal stability, and so on. So it is often used as adsorbent, catalyst and catalyst carrier, and has been widely applied in petroleum chemical industry, environmental protection and other fields. In industrial design, due to its different physical property characterization, γ-Al2O3is widely used in design of different products. In this paper, using aluminum nitrate and glycine as raw materials, nanoγ-Al2O3was synthesized by low temperature combustion method. Then it was characterized by XRD and X-ray electron microscopy (TEM).At last, effects of solution pH, molar ratio of reactants, calcining temperature, calcining time on formation, particle size and crystal transformation and morphology of the product were investigated.

Nanoγ-Al2O3; Low-temperature combustion synthesis; Environmental protection material

TQ 133

A

1671-0460（2014）11-2447-03

2014-07-24

冯颖（1979-），女，湖南衡阳人，讲师，硕士学位，研究方向：工业产品造型设计、产品设计、人机交互、计算机辅助设计等。