[发明专利]一种炭模板法制备的介孔高比表面积的六铝酸盐及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及六铝酸盐材料制备领域，具体地，本发明涉及一种炭模板法制备的介孔高比表面积的六铝酸盐及制备方法。

背景技术

六铝酸盐因具有热稳定性好、抗热冲击能力强、催化活性高和廉价易得等优点，常被用于催化甲烷高温燃烧、甲烷二氧化碳重整和N₂O分解等领域。六铝酸盐可用AAl₁₂O₁₉表示(A为碱金属、碱土金属或稀土金属)，它是氧化铝形成的尖晶石被碱金属或碱土金属的氧化物所构成的“镜面”隔离的层状结构材料，具有β-Al₂O₃型或磁铅石型两种结构，这种特殊的各向异性层状结构，赋予六铝酸盐杰出的高温热稳定性、抗热振能力，而且在高温下仍能保持较高的比表面积。镜面层阳离子对维持六铝酸盐结构和保持较大的比表面积起很大作用，同时也提供了氧扩散的通道，有利于氧的快速传输。另外，尖晶石结构单元中的Al³⁺可以部分被过渡金属离子(如Mn、Fe、Co、Ni等)同晶取代，得到催化活性提高的新型六铝酸盐复合氧化物。

目前报道的六铝酸盐的合成方法主要有共沉淀法、溶胶-凝胶法和反相微乳液法，通过不同方法制备得到的六铝酸盐作为催化剂时具有很大的差异，专利CN1698951A和CN101612572A公开了共沉淀法制备六铝酸盐催化剂，它们分别用于轻质烃类燃烧和N₂O分解，此方法较为简单，但制得六铝酸盐的比表面积较小，催化剂性能不高。CN101012066A采用一种尿素燃烧方法，煅烧温度很高，得到的六铝酸盐粒子均匀度不够好。US2008116421-A1公开了一种溶胶-凝胶法，该方法使用价格昂贵的有机前驱物，而且对环境湿度敏感。专利CN101306361A和CN101152629A采用反相微乳法制备了用于催化甲烷高温燃烧的六铝酸盐催化剂。采用微乳法结合超临界干燥技术能够制备出比表面积较大的六铝酸盐纳米粒子，但该方法需要配制有机微乳液，大量的微乳液难以重复利用，易造成污染，而且该方法产率较低，制得的纳米粒子在高温下易发生团聚，导致材料催化活性下降。因此，有必要设计制备过程简单、产率高的六铝酸盐材料合成方法，同时提高材料的催化活性和热稳定性。

从国内外有关六铝酸盐材料的研究现状，可以看出，现有报道的六铝酸盐催化剂比表面积基本是源自于六铝酸盐特殊的层状晶体结构或纳米粒子的外表面，材料晶体内部并没有允许反应物/产物分子自由进出的孔道，导致部分催化活性位不可用；而且通过降低六铝酸盐的粒子尺寸来提高材料的比表面，虽然能够在一定程度上提高材料的催化活性，但纳米粒子的热稳定性却较差。若将介孔材料的孔道优势与六铝酸盐的高温稳定及催化特性有效结合，将会大幅度增加材料比表面，增强催化剂活性位的可接触性，提高催化效率，而且能够同时具有高活性和高热稳定性。

目前，模板法制备无机纳米材料，为比较成熟的方法，但是采用模板法制备介孔高比表面积的六铝酸盐时，由于结晶态六铝酸盐基介孔材料的合成要复杂的多，其合成主要面临的困难有：一是金属盐前驱物高的水解聚合速度导致无机网络过快生长和聚合，很难形成有机-无机介孔相；二是过渡金属在氧化还原反应中的变价、无机孔壁的过度结晶以及表面活性剂/模板剂的除去(高温焙烧法和溶剂萃取)等因素都会破坏目标介孔结构；三是六铝酸盐的高结晶温度(1200℃左右)，对于大多数六铝酸盐基材料，低焙烧温度得到的样品中往往含有杂质，提高焙烧温度虽然可以减少杂质的量，但会导致介孔孔壁的过度结晶而造成孔道的坍塌和样品比表面积的减小。

发明内容

本发明的目的在于为了提高六铝酸盐材料的比表面，解决结构与材料热稳定性之间的矛盾，以及介孔结构六铝酸盐材料合成中的难题，提供了一种炭模板法制备介孔高比表面积六铝酸盐的方法。

本发明的再一目的在于提供了一种炭模板法制备的介孔高比表面积的六铝酸盐。

根据本发明的炭模板法制备介孔高比表面积六铝酸盐的方法，所述方法包括以下步骤：

1)在20～90℃下，采用氧化性酸或含氧化剂的酸液对介孔炭材料处理2～8h，过滤干燥后，分散于溶剂中，得到介孔炭悬浊液，其中，炭材料与溶剂的质量比为1∶5～20；

2)将铝盐前驱物，以及碱土金属前驱物、稀土金属前驱物、过渡金属前驱物中的一种或几种，溶于溶剂中，得到金属盐前驱物的溶液，其中，所述金属盐前驱物与溶剂质量比为1∶2～8；

3)将步骤2)得到的金属盐前驱物的溶液加入到步骤1)得到的介孔炭悬浊液中，在20～90℃下搅拌、蒸干，得到盐-炭复合物；