片状晶粒薄水铝石及其制备方法
阅读说明：本技术 片状晶粒薄水铝石及其制备方法 (Flaky grain boehmite and preparation method thereof ) 是由 杨彦鹏 马爱增 达志坚 聂骥 王学兵 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：一种片状晶粒薄水铝石,其晶粒的D-((200))/D-((002))＝0.5～1.5,D-((020))/l＝0.05～0.6,其中l＝1/2[D-((200))～2+D-((002))～2]～(1/2),所述D-((020))、D-((200))和D-((002))分别为根据薄水铝石的X射线衍射曲线中沿(020)晶面、(200)晶面和(002)晶面方向衍射峰的半峰宽,由Sherrer公式计算的晶粒尺寸。该薄水铝石晶粒结构规则,晶粒尺寸均一,由其焙烧制备的γ-Al-2O-3具有较多的强酸和中强酸。(Flake-grain boehmite, D of crystal grain thereof (200) /D (002) ＝0.5～1.5，D (020) 0.05-0.6, wherein l is 1/2[ D [) (200) 2 +D (002) 2 ] 1/2 Said D is (020) 、D (200) And D (002) The crystal grain sizes calculated by the Sherrer formula are respectively based on the half-peak widths of diffraction peaks in the directions of the (020) crystal plane, (200) crystal plane and the (002) crystal plane in the X-ray diffraction curve of boehmite. The boehmite has regular grain structure and uniform grain size, and is prepared by roasting the boehmite 2 O 3 Has more strong acid and medium strong acid.)
技术领域
本发明为一种水合氧化铝及其制备方法，具体地说，是一种片状晶粒薄水铝石及其制备方法。
背景技术
γ-Al2O3是应用极为广泛的非均相催化剂载体之一，尤其是在石油炼制、石油化工及精细化工领域，如作为催化加氢、催化重整及异构化催化剂的载体。其大的比表面积(一般大于150m2/g)有利于活性金属组分的分散，表面酸性也为某些催化反应过程(如催化重整、低碳烷烃异构化等)提供了部分酸中心。γ-Al2O3作为一种催化材料，其宏观物性及在各领域的催化性能都得到了较多的研究，而对γ-Al2O3表面性质的研究相对较少。近年来，研究者发现，γ-Al2O3的表面性质，尤其是γ-Al2O3载体暴露晶面的种类和比例也会影响催化剂性能，因此，对γ-Al2O3载体晶粒暴露晶面进行调控，是改进催化剂的性能的一条新的途径。
γ-Al2O3由薄水铝石在一定温度下焙烧得到，现有研究表明，薄水铝石向γ-Al2O3的转变过程，是一个Al和O原子在结构上发生短程重排的拓扑过程，在转变过程中，薄水铝石的晶粒形貌在γ-Al2O3中得到了很好的保持，且薄水铝石的暴露晶面与γ-Al2O3的暴露晶面之间具有确定的对应关系。根据Digne等人的研究结果(Digne M,Sautet P,RaybaudP,et al.Structure and stability of aluminum hydroxides:a theoretical study[J].J Phys Chem B,2002,106(20):5155-5162)，薄水铝石转变为γ-Al2O3的过程中，薄水铝石晶粒的(010)晶面和(100)晶面转变为γ-Al2O3的(110)晶面，薄水铝石晶粒的(101)晶面转变为γ-Al2O3的(111)晶面，薄水铝石晶粒的(001)晶面转变为γ-Al2O3的(100)晶面。因此，要实现对γ-Al2O3晶粒暴露晶面的精确调控，根本在于对薄水铝石晶粒暴露晶面，也就是薄水铝石晶粒形貌进行精确的调控。
现有研究发现，在薄水铝石的制备过程中，对其晶粒形貌起决定性作用的步骤为氢氧化铝浆液的老化阶段，在老化过程中，薄水铝石晶粒在液相环境中生长，固相晶粒表面的原子与体相中原子的配位结构具有较大差别，晶粒表面原子是亚稳态的，而晶粒生长的驱动力则是使表面自由能最小化，因此，表面自由能最低的晶面成为晶粒的优势晶面。根据Gibbs吸附定律，在晶粒生长或溶解过程中，固相晶粒自动从液相中吸附或向液相中脱附能够降低其表面能的物种，从而维持整个晶粒的表面能在最低的状态。
在氢氧化铝浆液的老化过程中，加入晶粒结构调控剂是最为常用的一种调控薄水铝石晶粒形貌的方法。Chiche等人采用Al(NO)3-NaAlO2沉淀法制备薄水铝石过程中(ChicheD,Chizallet C,Durupthy O,et al.Growth of boehmite particles in the presenceof xylitol:morphology oriented by the nest effect of hydrogen bonding[J],PhysChem Chem Phys,2009,11(47):11310-11323)，采用向氢氧化铝浆液中加入多元醇的方式对薄水铝石纳米颗粒形貌进行调控。结果显示，多元醇分子加入后，易于吸附在薄水铝石晶粒的(101)晶面上，降低了该晶面与液相间的表面张力，使薄水铝石晶粒减小的同时增加了(101)晶面的暴露比例。
CN104150513A公开了一种条状晶粒薄水铝石及其制备方法，该条状薄水铝石晶粒的宽为3～6nm、长为20～107nm。该条状晶粒薄水铝石的制备方法包括将C5～C7的烷氧基铝在水/烷氧基铝摩尔比为3～6、80～100℃条件下水解，将水解后所得浆液置于密闭容器中，于100～200℃，0.2～1.0MPa条件下老化2～48小时，分离水解产生的醇，得到条状晶粒薄水铝石。所述条状晶粒薄水铝石制备方法简单，成本低，制备过程中仅用自身合成的物质，不需要外加其它有机物，适合大规模生产。
CN105084397A为对CN104150513A公开的方法的进一步改进，将烷氧基铝水解得到的氢氧化铝浆液和醇的混合物在密闭容器中，于60～250℃，压力为0.2～1.0MPa的条件下老化2～72小时，将老化后浆液直接干燥，在干燥过程中回收醇。该方法能够减少条状薄水铝石晶粒的聚集，工艺简单，成本低。
CN104724741A公开了一种片状氧化铝的制备方法，采用铝源、胺类有机物、辅助剂为原料，按照一定比例配成溶液，加热并搅拌，溶液挥发、浓缩后发生热解，得到前驱体粉末，所述铝源为水溶性无机铝盐，如氯化铝、硝酸铝或硫酸铝；再将前驱物粉末于800-1700℃在流动空气气氛下反应2-4小时；最终得到粒度为3-8μm，径/厚比为25-80，片状的氧化铝。
CN105347377A公开了一种高纯片状氧化铝的制备方法，以纯度为99.999％的高纯异丙氧基铝、纯水、异丙醇为主要原料，氟化氢铵或氟化铵作晶体形貌控制剂，将高纯异丙氧基铝溶解于异丙醇中配制成溶液A，将纯水、异丙醇和氟化氢铵配制成溶液B，然后以一定滴加速度将溶液A逐渐加入到溶液B中，在加热和搅拌作用下反应生成水合氧化铝，接着依次经过过滤、干燥、焙烧得到高纯片状氧化铝。该方法制备的高纯片状氧化铝晶粒厚度≤1.0μm、径向尺寸为5～20μm。
上述专利提出了几种具有特定晶粒形貌的薄水铝石或氧化铝的制备方法，采用的晶粒形貌控制剂为胺类有机物或铵类化合物，成本较高，且生产过程中易于产生大量废气。
发明内容
本发明的目的是提供一种片状晶粒薄水铝石及其制备方法，该薄水铝石晶粒结构规则，晶粒尺寸均一，由其焙烧制备的γ-Al2O3具有较多的强酸和中强酸。
本发明提供的片状晶粒薄水铝石，其晶粒的D(200)/D(002)＝0.5～1.5，D(020)/l＝0.05～0.6，其中l＝1/2[D(200) 2+D(002) 2]1/2，所述D(020)、D(200)和D(002)分别为根据薄水铝石的X射线衍射曲线中沿(020)晶面、(200)晶面和(002)晶面方向衍射峰的半峰宽，由Sherrer公式计算的晶粒尺寸。
本发明提供的片状晶粒薄水铝石，具有适宜的长/宽比，并且片层较薄，由其焙烧制备的γ-Al2O3载体具有大的比表面积和孔体积，且强酸和中强酸含量较高，超过80％。
附图说明
图1为本发明实例1制备的薄水铝石扫描电镜图。
图2为本发明实例4制备的薄水铝石扫描电镜图。
图3为本发明实例7制备的薄水铝石扫描电镜图。
图4为本发明实例9制备的薄水铝石扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供的片状晶粒薄水铝石的片层较薄，长宽基本相当，晶粒结构规则，晶粒尺寸均一。该薄水铝石在烷氧基铝水解所得氢氧化铝浆液中加入由羟基羧酸和一元醇组成的晶粒结构调控剂，在静置条件下对氢氧化铝浆液进行老化，然后干燥制得。该薄水铝石焙烧制备的γ-Al2O3具有大的比表面积和较大的孔体积，且强酸和中强酸含量较高，是优良的干燥剂、吸附剂及催化剂载体，尤其适合作为石脑油重整催化剂的载体。
本发明所述薄水铝石的晶粒长度为10～15nm、优选12.6～15nm，宽度为14～26nm、优选14～20nm，厚度为1.5～8nm、优选2～6nm。
本发明所述D(200)代表晶粒长度尺寸，D(002)代表晶粒宽度尺寸，D(020)代表晶粒厚度尺寸。优选地，所述薄水铝石晶粒的D(200)/D(002)＝0.7～1，D(020)/l＝0.2～0.5。
所述薄水铝石X射线衍射曲线中沿不同衍射方向上的晶粒尺寸(D)由式①所述的Sherrer公式计算。
式①中，D为(HKL)晶面法线方向上晶粒尺寸的平均值，单位nm；K为常数，近似可取0.89；λ为X射线波长，CuKα1的特征波长0.154056nm；θ为(HKL)晶面衍射峰对应的掠射角，又称为半衍射角，单位为角度；β是由于晶粒细化引起的衍射峰的加宽量，单位为弧度，它与实测衍射峰半峰宽B以及由试样的吸收和光阑尺寸等仪器因素造成的衍射峰增加宽度b之间的关系为：
式①中，D可为由XRD衍射曲线中沿(020)晶面测得的晶粒尺寸D(020)、沿(200)晶面测得的晶粒尺寸D(200)、沿(002)晶面测得的晶粒尺寸D(002)。
本发明所述薄水铝石的制备方法，包括在烷氧基铝水解后所得的氢氧化铝浆液中加入晶粒结构调控剂，于60～260℃静置老化0.5～72小时，然后干燥，所述晶粒结构调控剂为羟基羧酸和一元醇，羟基羧酸与一元醇的质量比为0.3～7，羟基羧酸与氢氧化铝浆液中所含铝的摩尔比为0.005～0.5，所述一元醇为C2～C8的一元醇。
上述方法中，所述的烷氧基铝水解的温度优选60～100℃、更优选75～95℃，时间优选0.3～3小时、更优选0.5～2小时，水与烷氧基铝的摩尔比优选3～40、更优选6～30。烷氧基铝水解优选在搅拌下进行，搅拌速率优选为100～300rpm，优选110～250rpm。
所述烷氧基铝水解后生成氢氧化铝和醇，由于水过量，反应体系中始终有水，水解后生成上层为醇相、下层为氢氧化铝浆液相的两相体系。将上层醇相分离，所得氢氧化铝浆液进行老化，老化过程中加入晶粒结构调控剂，然后干燥，即得薄水铝石。
本发明方法中，氢氧化铝浆液老化在静置条件下进行，老化温度优选100～220℃，时间优选2～24小时。
本发明所述晶粒结构调控剂中的羟基羧酸的碳原子数为3～5个，羟基数为1～3个，羧基数为1～3个。优选地，所述羟基羧酸为羟基丙酸、2-羟基丁二酸、2，3-二羟基丁二酸和3-羟基-1,3,5戊三酸中的一种或几种。
所述一元醇优选为C2～C6的一元醇，优选为乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇或正己醇。
所述羟基羧酸与所述的一元醇的质量比优选0.5～5，羟基羧酸与氢氧化铝浆液中所含铝的摩尔比优选0.01～0.2。所述羟基羧酸可以是两种羟基羧酸的组合，此种情况下，羟基羧酸与一元醇的质量比和羟基羧酸与氢氧化铝浆液中所含铝的摩尔比按使用的羟基羧酸总量计。
氢氧化铝浆液老化后需干燥，干燥温度优选100～240℃。所述的干燥可为烘干、喷雾干燥或闪蒸干燥。采用烘干干燥时，干燥温度优选100～150℃，干燥时间优选8～24小时、更优选8～12小时。采用喷雾干燥时，喷雾干燥机入口温度优选180～230℃，出口温度优选80～120℃。闪蒸干燥采用常规方法进行干燥通过在减压下加热蒸发水分干燥。
上述方法中，所述烷氧基铝由金属铝和过量脂肪醇反应制得，优选地，可通过两步加料法制备，包括如下步骤：
(1)将铝和醇加入反应釜，在低于醇沸点5～50℃的反应温度下引发反应至反应稳定，
(2)再向反应釜中加入醇，继续反应至铝完全溶解。
上述方法中制备烷氧基铝所用铝可以为铝丝、铝片、铝锭、铝豆和铝粉中的至少一种，铝的纯度不低于99.7质量％，优选不低于99.85质量％。优选地，(1)步引发反应所用铝的纯度高于(2)步制备烷氧基铝所用铝的纯度。
所述的醇可为C3～C12的脂肪醇，优选C6～C8的脂肪醇，如正丙醇、异丙醇，正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、正己醇、异己醇、正庚醇、异庚醇、正辛醇、异辛醇。所述醇的纯度不低于99.5质量％、优选不低于99.8质量％。
上述方法(1)步醇用量为全部反应所需总醇量的5～40％、优选10～35％。
上述方法全部反应中，醇与铝的摩尔比为3～10：1、优选4～6：1。
上述方法(2)步中，为使反应平稳进行，优选控制反应温度在醇沸点±20℃范围内。
下面通过实例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。
实例中，薄水铝石样品晶粒的D(020)、D(200)和D(002)分别根据薄水铝石的XRD衍射曲线中沿(020)晶面、(200)晶面和(002)晶面方向的衍射峰的半峰宽，由Sherrer公式计算得到。XRD衍射曲线采用Philips X’pert型X射线衍射仪得到，使用Cu靶，Kα辐射，Ni滤波，λ＝0.154056nm。固体探测器，管电压40kV，管电流40mA，扫描范围5°～90°。
薄水铝石的晶粒形貌采用Hitachi公司生产的S-4800型扫描电镜观察得到，加速电压为5.0kV，放大倍数为1～300k。
γ-Al2O3由相应薄水铝石在600℃、空气气氛中焙烧3hr得到。
γ-Al2O3的孔体积、比表面积均由氮气吸脱附法测定，所采用方法为GB/T5816-1995。
γ-Al2O3的表面酸性采用氨气-程序升温脱附(NH3-Temperature ProgrammedDesorption，NH3-TPD)法测定，所用仪器为Autochem II 2920型自动化学吸附仪，具体步骤为：称取0.1g的γ-Al2O3颗粒装入样品管，置于加热炉中，以He为载气，以20℃/min的速率升温至600℃，吹扫60min驱除γ-Al2O3表面吸附的杂质；然后降温至100℃，恒温10min，将气体切换为NH3体积分数为10％的NH3/He混合气，吸附30min，然后以He吹扫90min，脱除物理吸附的NH3；以10℃/min的速率升温至550℃进行脱附，采用TCD检测器监测、记录气体组分变化信息。通过对样品NH3-TPD曲线峰面积进行积分计算其总酸量，采用高斯拟合计算得到其强酸、中强酸、及弱酸的比例，其中脱附温度为100～260℃产生的峰为弱酸，260～420℃产生的峰为中强酸，420～580℃产生的峰为强酸。
实例1
在带有回流冷凝管的三口烧瓶中，加入27克纯度为99.9质量％的铝豆，同时加入90ml(0.7mol)纯度为99.8质量％的正己醇，130℃回流20min后开始反应，继续向三口烧瓶中缓慢加入362ml(2.9mol)正己醇，维持温度为140℃，回流反应2hr，得到正己氧基铝和正己醇的混合物。
将正己氧基铝和正己醇的混合物降温至90℃，在120rpm的搅拌速度下向其中加入468g去离子水进行水解，水解时间为45min，水解温度为90℃。水解得到上层为醇相、下层为氢氧化铝浆液相的两相体系。倾析分离上层的含水正己醇相，向下层的氢氧化铝浆液中加入由9g的2-羟基丙酸(乳酸)和14g的正己醇组成的晶粒结构调控剂，然后将氢氧化铝浆液转移至不锈钢压力釜中，在120℃静置老化6hr，老化后浆液用去离子水洗涤后，置于烘箱中于120℃干燥12hr，得到薄水铝石A。由其XRD衍射曲线计算D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l，结果见表1。薄水铝石A的扫描电镜图见图1，显示其晶粒较为规整。
将薄水铝石A在600℃，空气氛下焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体a，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例2
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用晶粒结构调控剂由9g的3-羟基丙酸和9g的异丙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液在120℃静置老化6hr，老化后浆液用去离子水洗涤后，置于烘箱中于120℃干燥12hr，得到薄水铝石B。其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石B在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体b，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例3
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由8g的2-羟基丁二酸(苹果酸)和5.4g的异丙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石C，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石C在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体c，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例4
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由8g的2-羟基丁二酸(苹果酸)和8g的无水乙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石D，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1，扫描电镜图见图2。
将薄水铝石D在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体d，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例5
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由12g的2，3-二羟基丁二酸(酒石酸)和3g的无水乙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石E，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石E在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体e，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例6
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由12g的2，3-二羟基丁二酸(酒石酸)和8g的异丙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石F，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石F在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体f，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例7
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由15.4g的3-羟基-1,3,5戊三酸(柠檬酸)和8g的异丙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石G，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1，扫描电镜图见图3。
将薄水铝石G在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体g，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例8
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由15.4g的3-羟基-1,3,5戊三酸(柠檬酸)和5g的无水乙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石H，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石H在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体h，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例9
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由4.5g的2-羟基丙酸(乳酸)、4g的2-羟基丁二酸(苹果酸)和6.5g的无水乙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石I，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1，扫描电镜图见图4。
将薄水铝石I在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体i，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
实例10
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是所用的晶粒结构调控剂由4g的2-羟基丁二酸(苹果酸)、6g的2，3-二羟基丁二酸(酒石酸)和10g无水乙醇组成，加入晶粒结构调控剂的氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石J，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石J在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体j，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
对比例1
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是不在氢氧化铝浆液中加入晶粒结构调控剂，氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石M，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石M在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体m，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
对比例2
按实例1的方法制备薄水铝石，不同的是在氢氧化铝浆液中加入15.2g木糖醇(戊五醇)作为晶粒结构调控剂，氢氧化铝浆液经老化和干燥后得到薄水铝石N，其D(020)、D(200)和D(002)，以及l、D(200)/D(002)和D(020)/l见表1。
将薄水铝石N在600℃，空气中焙烧6hr，得到γ-Al2O3载体n，其比表面积及孔体积见表2，表面酸分布见表3。
由表2可知，由本发明薄水铝石制备的γ-Al2O3有较大的比表面积和孔体积。表3显示本发明所得γ-Al2O3的表面酸分布中，强酸和中强酸的比例较高，约占80％，而弱酸的比例较低，均在24.1％以下。
表1
表2
实例号
γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>编号
比表面积，m<sup>2</sup>/g
孔体积，cm<sup>3</sup>/g
1
a
217
0.69
2
b
223
0.65
3
c
235
0.62
4
d
239
0.60
5
e
251
0.55
6
f
245
0.52
7
g
252
0.49
8
h
260
0.47
9
i
236
0.62
10
j
254
0.53
对比例1
m
263
0.32
对比例2
n
241
0.41
表3
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