水熱條件對合成勃姆石納米棒形貌及其光吸收性能的影響*

張 俊，傅小明

（1.宿遷學院模具教研室，江蘇宿遷223800；2.宿遷學院金屬材料教研室）

水熱條件對合成勃姆石納米棒形貌及其光吸收性能的影響*

張 俊1，傅小明2

（1.宿遷學院模具教研室，江蘇宿遷223800；2.宿遷學院金屬材料教研室）

以1 mol/L的三氯化鋁為鋁源和1 mol/L的氫氧化鈉為沉淀劑，在水熱體系中180℃、pH=9和48 h的條件下成功地合成了徑向尺寸小于10nm的γ-AlOOH納米棒。合成試樣的物相、形貌和光吸收性能分別利用X射線衍射（XRD）、熱場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和紫外可見光的吸收光譜儀（UV-Vis）進行表征。研究結果表明：在水熱反應體系中，反應溫度的升高和pH的增加均有利于合成γ-AlOOH納米棒。但是，隨著反應溫度的進一步升高和pH的進一步增加，則有利于獲得納米片狀結構的γ-AlOOH。UV-Vis分析可知，γ-AlOOH納米棒對光的吸收能力大于γ-AlOOH納米片對光的吸收能力，特別是γ-AlOOH納米棒長徑比的增加有利于其對光的吸收能力增加。

三氯化鋁；水熱法；γ-AlOOH納米棒；光吸收性能

納米勃姆石（一水軟鋁石，γ-AlOOH）是一種具有潛在應用價值的無機材料［1-2］。它可以用于制備高性能催化劑 （催化裂化、乙醇脫水制乙烯和環氧乙烷）、增韌材料、三氧化二鋁（精密陶瓷、功能陶瓷的氧化物原料）以及高效無毒阻燃劑等［3-5］。因此，納米γ-AlOOH的合成方法、形態結構以及其性能成為國內外研究的熱點問題。

目前，合成納米γ-AlOOH的主要方法有沉淀法［6］、溶膠-凝膠法［7-8］、金屬醇鹽水解法［9-10］、超重力水熱耦合法［11］和水熱法［12］等。通過這些方法獲得了納米球形、纖維狀、管狀和帶狀等形狀的γ-AlOOH產品［13-14］。前4種方法合成的納米結晶度較低，要完全將產物中的陰離子去除較困難，因而很難實現工業化應用。而水熱法是在密閉反應釜中將鋁源經高溫、高壓及較長時間下合成納米γ-AlOOH，其具有結晶度高、成本低廉、工藝簡單和易工業化生產等優點，因此水熱法當前已得到了廣泛的研究。雖然有少量文獻報道通過水熱法合成了γ-AlOOH納米棒，但是對納米γ-AlOOH的另一個特性——光吸收性能的研究則鮮見報道［15］。因此，筆者研究了不同水熱條件對合成納米γ-AlOOH形貌的影響，以及不同形貌納米γ-AlOOH對光吸收性能的影響。

1 實驗部分

1.1 γ-AlOOH納米棒的制備

量取15 mL、1 mol/L的AlCl3溶液（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）滴加到帶有磁力攪拌子的燒杯中，將燒杯放置在DF-101S型磁力攪拌器上。磁力攪拌下，將1 mol/L的NaOH溶液（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）按照一定速率滴加到上述燒杯中，同時，利用PHS-3C型精密酸度計（精度為0.1）控制混合溶液的pH，當混合溶液的pH達到所需值（pH為5、7、9和11）時，停止滴加NaOH溶液，繼續使混合溶液在磁力攪拌作用下攪拌。當混合溶液均勻時停止攪拌。用移液管取16 mL上述不同pH的混合溶液（pH=5的混合溶液3份，pH為7、9和11的混合溶液各1份）分別滴加到6個水熱反應釜（外膽為不銹鋼，內膽為聚四氟乙烯，內膽容量為20 mL）中，蓋好水熱反應釜的內蓋和外蓋。將這些水熱反應釜置于DHGT-9101-1S型電熱恒溫箱（精度為1.0℃）中，加熱至所需溫度，保溫48 h后停止加熱，冷卻到室溫。將獲得的混合溶液傾入離心管中，放入TGL-16型電動離心機中脫水，脫水后倒掉離心管的水，再向離心管中依次加入蒸餾水（自制）和無水酒精（分析純，國藥集團化學試劑有限公司），離心，反復進行這個過程3～4次。最后，將沉淀物放入DHG-9240A型電熱干燥箱中，在80℃下干燥96 h。

1.2 樣品表征

采用 D/max2500PC型 X射線衍射儀、JSM-7001F型熱場發射透射電子顯微鏡和UV-2450型紫外可見分光光度計分別測試樣品的物相、形貌和光吸收特性。

2 結果與討論

2.1 試樣的物相分析

圖1為水熱條件下合成試樣的XRD譜圖。將圖1中的譜圖與γ-AlOOH的標準XRD譜圖（JCPDC 21-1307）比較可知，不同水熱條件下合成的試樣在2θ為28.32、31.76、38.58、49.34°時分別與γ-AlOOH的（120）、（220）、（031）和（051）晶面的衍射峰對應，由此可知，獲得試樣的物相均為γ-AlOOH。從圖1還可知，試樣主要衍射峰強度增大，峰形尖銳，一方面表明γ-AlOOH的結晶度有所提高，另一方面暗示γ-AlOOH晶體的生長存在擇優取向。這與文獻［16］報道的結果相吻合。

圖1 水熱條件下合成試樣的XRD譜圖

2.2 試樣的形貌分析

2.2.1 溫度對合成試樣形貌的影響

圖2為不同溫度下水熱法合成γ-AlOOH的FE-SEM照片。由圖2a可以看出，150℃下合成了較粗的短棒狀γ-AlOOH。隨著水熱反應溫度的升高，在180℃下獲得了長徑比較小的γ-AlOOH納米棒（圖2b）。但是，隨著水熱反應溫度的進一步升高，在210℃下制備出了二維片狀γ-AlOOH（圖2c），這可能是由于熱擾動影響了γ-AlOOH的擇優取向生長。由此可知，反應溫度對合成γ-AlOOH形貌的影響較為顯著。

圖2 不同溫度下pH=5時水熱法合成γ-AlOOH的FE-SEM照片

2.2.2 pH對合成試樣形貌的影響

圖3為不同pH下水熱法合成γ-AlOOH的FE-SEM照片。圖3a與圖2b比較可知，當反應溫度相同時，隨著pH的增大，合成γ-AlOOH納米棒的長徑比有所增加，但是其增幅不太明顯。圖3a與圖3b比較可知，隨著pH的進一步增大，獲得γ-AlOOH納米棒的長徑比明顯增大。然而，當pH=11時，制備出了二維納米片狀結構的γ-AlOOH（圖3c），該γ-AlOOH納米片狀的長寬比與圖2c中γ-AlOOH納米片狀的長寬比相比更大。其原因可能是堿性溶液中的H+濃度不足以破壞層片間的氫鍵，使得γ-AlOOH的結構向片狀生長［17-18］。因此，要合成 γ-AlOOH納米棒，必須嚴格控制反應體系的pH。

圖3 不同pH下180℃時水熱法合成γ-AlOOH的FE-SEM照片

為了進一步深入觀察γ-AlOOH納米棒的形貌，對圖3b進行放大，如圖4所示。從圖4可見，在180℃、pH=9的條件下合成了徑向尺寸小于約10 nm的γ-AlOOH納米棒。從圖4中的SAED譜圖還可知，該γ-AlOOH納米棒的晶體結構為斜方γ-AlOOH。

圖4 pH=9、180℃下水熱法合成γ-AlOOH的FE-SEM放大照片

2.3 試樣的光吸收性能分析

圖5為水熱條件下合成γ-AlOOH的紫外可見光光譜圖。由圖5中c、f曲線比較可知，當γ-AlOOH納米片狀的長寬比增加時，其光吸收能力隨之增加。從圖5中a、b、d、e曲線可知，γ-AlOOH納米棒長徑比增加時，其光吸收能力也隨之增加。特別是徑向尺寸小于10 nm的γ-AlOOH納米棒具有良好的光吸收能力。從圖5還可見，γ-AlOOH納米棒對光的吸收能力大于γ-AlOOH納米片對光的吸收能力。所以γ-AlOOH納米棒長徑比的增加有利于其對光的吸收能力增加。

圖5 水熱條件下合成γ-AlOOH的紫外可見光譜圖

3 結論

1）在水熱反應體系中，反應溫度的升高和pH的增加有利于合成γ-AlOOH納米棒。但是，隨著反應溫度的升高和pH進一步增加，則有利于獲得納米片狀結構的γ-AlOOH。當反應溫度為180℃、pH=9時，制備出了徑向尺寸＜10nm的γ-AlOOH納米棒。

2）分析不同水熱條件下合成γ-AlOOH的光吸收能力可知，γ-AlOOH納米棒對光的吸收能力大于γ-AlOOH納米片對光的吸收能力，特別是γ-AlOOH納米棒長徑比的增加有利于其對光吸收能力的增加。

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Influenceofhydrothermalconditionsonmorphologiesand opticalabsorption propertiesofboehm itenanorods

Zhang Jun1，Fu Xiaoming2
（1.Mould Department，Suqian College，Suqian223800，China；2.MetalMaterialsDepartment，Suqian College）

Boehmite（γ-AlOOH）nanorods of about 10 nm in the radial direction were successfully obtained with 1mol/L AlCl3solution as aluminium source and 1 mol/L NaOH solution as precipitant at 180℃with pH=9 for 48 h via the hydrothermal method.The phases，morphologies，and optical absorption properties of as-prepared samples were characterized and analyzed with X-ray diffraction（XRD），field-emission transmission electron microscope（FE-SEM），and ultraviolet-visible spectrophotometer（UV-Vis），respectively.Results showed that the increasement of the reaction temperature and the pH was in favor of the synthesis of γ-AlOOH nanorods in the hydrothermal reaction system.However，with the further enhancement of the reaction temperatureand thepH，itwaspropitioustoprepareγ-AlOOH nanoflakes.The resultsofUV-Visanalysisshowed thattheoptical absorption ability of γ-AlOOH nanorods was more than that of γ-AlOOH nanoflakes.Especially，γ-AlOOH nanorods had more outstandingopticalabsorption propertyasitsslendernessratioincreased.

AlCl3；hydrothermalmethod；γ-AlOOH nanorod；opticalabsorption property

TQ133.1

A

1006-4990（2015）02-0021-03

2014-08-17

張俊（1981— ），女，碩士，講師，主要研究方向為納米材料，已公開發表論文4篇。

傅小明

江蘇省高校自然科學研究基金項目（11KJB450001）和宿遷市科技計劃項目（Z201201）。

聯系方式：122802926@qq.com