[发明专利]一种非化学计量比锌铝尖晶石及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非化学计量比锌铝尖晶石及其制备方法。本方法是以锌铝类水滑石为前驱体，首先通过共沉淀法合成锌铝摩尔比为1~3的锌铝类水滑石，然后将锌铝类水滑石在800℃进行氢气热处理，从而得到单一物相的非化学计量比锌铝尖晶石。所述锌铝尖晶石的平均晶粒尺寸为10~15 nm，BET比表面积可达138 m²/g，锌铝摩尔比可达2.6。本发明的制备方法简单、易操作、成本低，尖晶石的产率、纯度和结晶度较高，且晶粒尺寸小、比表面积高，具有锌铝摩尔比可调、高温抗烧结能力好等特点。

技术领域

本发明属于尖晶石制备技术领域，具体涉及一种非化学计量比锌铝尖晶石及其制备方法。

背景技术

锌铝尖晶石(ZnAl₂O₄)是一种AB₂O₄型化合物，具有莫氏硬度大(8)、熔点高(1950℃)、热稳定性好、热膨胀系数低、导热性好、强度高、抗酸碱能力强等特点，是优质的耐火材料和光学材料，在化学、生物、冶金、医学、军事、航天航空等领域有广泛的应用。同时，锌铝尖晶石也是一种很有潜力的催化材料，其结构中存在着表面能很大的棱、角等缺陷和阳离子空位，且热稳定性好，因而被广泛用作催化剂或者催化剂载体。锌铝尖晶石作为催化剂可用于酯交换反应、乙酰化反应、羰基化反应、光催化降解有机污染物，作为催化剂载体用于甲烷重整、甲醇重整、乙醇重整、甲醇合成、费托合成、碳氢化合物催化燃烧、低碳烷烃脱氢制取烯烃、Suzuki-Miyaura偶联反应等。

目前锌铝尖晶石的制备方法主要有固相反应法、共沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、溶剂热合成、柠檬酸法、燃烧合成法、微乳液法等。固相反应法是制备尖晶石的传统方法，一般采用氧化物如ZnO和Al₂O₃为原料，经过机械球磨混合和高温焙烧合成ZnAl₂O₄，但是该法必须在1450~1700℃以上才能得到尖晶石，产物的纯度低、均匀性差、比表面积小。共沉淀法是在金属盐溶液中加入适量沉淀剂，制备出前驱体沉淀物，再经过滤、洗涤、干燥、焙烧等步骤得到纳米粉体。共沉淀法操作简单，对设备、技术要求不高，产物纯度高、成本低，但是沉淀物洗涤、过滤较困难。溶胶凝胶法是将无机盐或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再将凝胶在低温热处理转变成氧化物固体的方法。溶胶凝胶法可降低合成温度，以金属醇盐为原料可得到粒度均匀分布的高纯纳米粉体，但是存在原料成本较高、反应过程不易控制、工艺较复杂、合成周期较长等问题。水热合成法采用氧化物或氢氧化物为原料，水为溶剂，在高温高压条件下合成粉体。通过水热合成得到的尖晶石晶粒发育完整、粒径分布均匀，但是对反应设备要求苛刻，操作要求高，难于大规模生产。此外，上述方法仍存在若干问题。首先，上述方法只适用于原料锌铝摩尔比为1：2，以得到化学计量比的锌铝尖晶石。当锌铝摩尔比大大高于化学计量比时，会出现其它氧化物如氧化锌，难于获得纯度较高的锌铝尖晶石。其次，通过上述方法所合成的锌铝尖晶石要么晶粒尺寸大、比表面积低，要么在高温条件下易发生烧结，抗烧结能力差，这些都大大限制了锌铝尖晶石的性能和应用。

发明内容

本发明的目的在于公开一种非化学计量比锌铝尖晶石及其制备方法，其以锌铝类水滑石为前驱体，首先通过共沉淀法合成锌铝摩尔比为1~3的锌铝类水滑石，然后将锌铝类水滑石在800℃进行氢气热处理，从而得到单一物相的非化学计量比锌铝尖晶石。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种非化学计量比锌铝尖晶石的制备方法，包括以下步骤：

a、锌铝类水滑石的合成：采用共沉淀法合成锌铝类水滑石，在室温和磁力搅拌下，将硝酸锌和硝酸铝的混合溶液逐滴加入到碳酸钠溶液，同时将氢氧化钠溶液缓慢滴入碳酸钠溶液，维持溶液pH = 10±0.5；滴加结束后静置老化24 h，然后将沉淀物过滤并用去离子水洗涤至 pH = 7±0.2，于100 ℃烘干12 h，得到锌铝类水滑石；