一种针刺状氧化铝载体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种针刺状氧化铝载体的制备方法，属于催化剂载体制备领域，尤其适用于气固相反应领域。
技术背景
作为十分重要的催化剂载体和吸附剂，氧化铝在工业上广泛应用。多孔氧化铝除了具有普通氧化铝的优异性能之外，还具有高比表面积、大孔径、有序的介孔等突出特点，成为近年来研究的热点。
传统多孔氧化铝材料的制备方法较多，如取代法、发泡法（一般通过发泡剂或者减压产生气泡，形成一些无序大孔，但孔径、孔型分布不均，而备受限制）以及模板法。其中模板法以其简单的制备工艺，可控的孔形、结构而备受关注和青睐。该法是以微观有序结构的材料为模板，在模板空隙部分填充目标原料，待骨架成型后，利用高温热解或化学处理来除去模板，最终或者有序的大孔材料。目前生物模板法和有序凝胶微球法较为成熟。在制备过程中，应对模板的制材，除去模板的方法以及形成的孔型做出明确了解。如模板要易于制备、模板材料应有一定的稳定性、除去模板的过程中不会对目标多孔材料造成影响，且易于除去模板。
如CN101612581 A中记载 (1)以苯乙烯和二乙烯苯为单体，体积比＝1∶3.8～4.4，加入质量为总单体质量2％～20％的表面活性剂司班80，及质量为总单体质量0.1％～2％的引发剂偶氮二异丁腈均匀混合后为油相，在搅拌下向油相中加入去离子水，使水相的体积分数在80％～90％，得到反相浓乳液，将浓乳液倒入模具中，50～80℃密封聚合24～48h，60～90℃干燥24～48h，得到整体型有机大孔模板；(2)铝水溶胶的制备以拟薄水铝石为前驱物，将3～6mg拟薄水铝石研细后分批加入60～90mL去离子水中，搅拌0.5～2h使其分散均匀，向拟薄水铝石悬浮液中缓慢滴加浓度为0.5～1mol L-1的稀硝酸胶溶，调节pH＝3～4，室温下搅拌3～7h，得到铝水溶胶； (3)将步骤(1)中制备的整体型有机大孔模板放入封闭的容器中，在一定的真空条件下将步骤(2)制备的铝水溶胶抽入到聚苯乙烯模板的孔壁上，60～90℃下干燥12～24h，如此重复填充干燥几次，400～700℃预焙烧3～6h，升温速率为0.5～1℃/min，然后1200～1300℃焙烧2～4h，升温速率为5～10℃/min，即得到大孔整体式α-Al2O3载体；将大孔整体式α-Al2O3放入封闭的容器中，在真空度为0.06～0.1MPa条件下将铝水溶胶填充到大孔整体式α-Al2O3的孔壁上，60～90℃下干燥12～24h，如此重复填充干燥2～4次，400～600℃焙烧2～4h，升温速率为5～10℃/min，得到涂层γ-Al2O3，如此得到的载体M-γ/α-Al2O3具有介孔-大孔双重孔结构； (4)采用过体积浸渍法将介孔-大孔整体式α-Al2O3载体浸渍于活性组分Pt及助剂Ni的前驱液中12～24h，冷冻干燥12～24h，300～500℃下焙烧2～4h。简单而言，是先制备聚苯乙烯模板，然后在表面涂覆获得α氧化铝，获得多孔α氧化铝，接着在其表面涂覆获得γ氧化铝，所述α-γ氧化铝能够有效的保持聚苯乙烯模板的形状，即球形大孔结构，而言目前市面上制备的氧化铝多为球形结构，鲜有针刺状氧化铝的制备方法，且针刺状氧化铝在气固相反应中的阳极也较少。
发明内容
基于上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种针刺状氧化铝载体的制备方法, 包括如下步骤：
（1）预处理硅基材料；
（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒；
（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料，获得腐蚀孔；
（4）腐蚀扩孔；
（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶；
（6）高温焙烧；
（7）重复步骤（5）和（6）；
（8）氟气体除去硅基材，获得针刺状氧化铝载体。
进一步的，步骤（1）预处理硅基材料的工艺如下：将单晶硅片裁剪至合适尺寸，然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污，重复清洗次数1-3次，然后再用10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，去离子水洗涤，惰性气氛下干燥。
进一步的，步骤（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒的工艺如下：化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液，AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2-3∶4-8，温度为30-35oC，时间为1-2min。
进一步的，步骤（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料的工艺参数：腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液，HF浓度为0.3-0.45M，H2O2的浓度为 0.3~0.4M，时间为 60-80min，温度为常温，腐蚀后离子水洗涤，空气干燥氧化。
进一步的，步骤（4）腐蚀扩孔的参数如下：氧化温度为700oC，在单晶硅表面形成无序氧化硅，时间为30-40min，然后降温浸泡于10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，所述腐蚀扩孔步骤可重复1-3次，以获得大孔径腐蚀孔。
进一步的，步骤（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶的过程如下：将3-5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后，加入1.5-2 M HNO3，获得氧化铝水溶胶持续搅拌2-3 h，将步骤（4）获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中，抽真空，将氧化铝溶胶填充于孔道表面。
进一步的，步骤（6）高温焙烧参数为:300oC氮气保护干燥20-30min，然后1-2oC /min-1升至1100-1300oC，恒温干燥1-2h，自然降温。
进一步的，步骤（7）重复次数为2-4次。
进一步的，步骤（8）氟气体除去硅基材的加热温度为35-40oC，时间为1-2h。
进一步的，一种针刺状氧化铝载体的制备方法的应用，其特征在于应用气固相催化反应领域。
关于上述针状氧化铝的制备方法所使用的试剂、浓度、以及原理做出如下详细解释：
（1）关于预处理硅基材料: 将单晶硅片裁剪至合适尺寸，然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污，重复清洗次数1-3次，然后再用10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，去离子水洗涤，惰性气氛下干燥。
无论何种表面处理工艺，要获得好效果，表面预处理是首要的条件，主要是由于单晶硅表面的氧化膜和油脂，如果不能有效除去氧化膜，会导致后续的银离子无法与硅基材接触，而导致银离子无法还原沉积，进而不会引发后续的催化腐蚀，如果不能除去油脂，会导致银离子在化学沉积过程中，分布不均匀，以及银离子的团聚现象，即上述的氧化膜和油脂的存在会严重影响多孔硅模板的孔道分布，此外，干燥应为惰性气氛干燥，避免氧化性气体的引入而在此形成氧化层。
（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒：步骤（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒的工艺如下：化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液，AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2-3∶4-8，温度为30-35oC，时间为1-2min。
该过程为在晶体硅表面化学沉积Ag，硅片表面经 HF 处理后形成大量的Si-H键，Si-H具有较强的还原性，硝酸银中的Ag+具有较强的氧化性，两者发生氧化还原反应，Ag+获得电子被还原成 Ag 原子并以纳米颗粒的形式沉积在 Si 片表面形成不连续的 Ag 颗粒薄膜, Ag 粒子的尺寸、间距直接决定孔道的尺寸和间距。
本发明中，AgNO3浓度优选控制为2-3mM，镀银时间在 1-2min以内，尺寸一般分布在 100~300nm 范围内，Ag 颗粒在整个基底表面均匀分布，严格控制硝酸银中Ag离子的浓度，如银离子浓度过大，会导致腐蚀的点太多，孔道太过密集，不利于后续的填充，如果银离子浓度过低，孔道太过稀疏，也不利于后续的填充。
此外，关于选用的催化金属为Ag，而非Au或Pt，通常。Ag和Au是常用的催化金属，能够在特定的方向上垂直地向下刻蚀，但对于Pt颗粒，其运动情况则较为复杂，有报道称观察到其竖直的、螺旋的、无方向性的运动轨迹。
主要是基于后续催化剂制备过程中活性组分的选择考虑，此外，Ag的沉积尺寸控制较为成熟，易于形成均匀的孔道（参见CN101879453 A）
（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料，获得腐蚀孔:腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液，HF浓度为0.3-0.45M，H2O2的浓度为 0.3~0.4M，时间为 60-80min，温度为常温，腐蚀后离子水洗涤，空气干燥氧化。
Ag 粒子作为催化剂，Ag 粒子下面的 Si 被刻蚀液中的氧化剂(如H2O2) 氧化成SiO2并被 HF 溶解，导致 Ag 粒子下沉，因此，有 Ag 粒子覆盖的位置，Si 被逐渐向下刻蚀形成“坑道”。由于Ag 颗粒薄膜是不连续的，相邻 Ag 粒子之间的空隙未被刻蚀，导致相邻的“坑道”之间形成硅纳米线。刻蚀的涉及的反应方程式如下:
2Ag+H2O2+2H+→2Ag++2H2O;
Si +4Ag++6F-→4Ag+SiF62-;
Si0+ 2H2O2+ 6F-+ 4H+→SiF62-+ 4H2O;
此外，HF、H2O2的浓度，腐蚀的时间对于孔道的形状和是否垂直腐蚀，至关重要要，
通常使用α=HF/(HF+H2O2)对其孔道结构进行评估，如果α位于0.7和1之间，腐蚀的空洞为圆柱形，如果α在0.2-0.7之间，获得的为锥形空洞，当α低于0.2时，几乎无明显孔道，本申请优选HF和H2O2为1:1，形成锥形空洞，利于后续形成针刺状氧化铝材料。
此外，腐蚀过后，可以使用空气进行干燥，而无需惰性气氛干燥，主要是用于后续的扩孔处理需要进行氧化，如果使用惰性气氛进行干燥，浪费资源。
（4）腐蚀扩孔：氧化温度为700oC，在单晶硅表面形成无序氧化硅，时间为30-40min，然后降温浸泡于10-15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，所述腐蚀扩孔步骤可重复1-3次，以获得大孔径腐蚀孔。
由于银离子尺寸一般分布在 10~30nm，腐蚀后，获得孔道开口处的孔径为70-200nm，对于后续氧化铝溶胶的填充而言，孔道较小，因此需要对此进行扩孔，通过在高温下，对硅基材进行氧化处理，在孔道表面形成一层氧化层，之后通过HF去除氧化层，可以较为轻松实现扩孔目的，如果一次扩孔无法达到所述的孔道尺寸，则可以多次腐蚀扩孔，本发明最优的孔道尺寸为1-3μm，如附图3和附图4所示。
（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶的过程如下：将3-5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后，加入1.5-2 M HNO3，获得氧化铝水溶胶持续搅拌2-3 h，将步骤（4）获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中，抽真空，将氧化铝溶胶填充于孔道表面。
（6）步骤（6）高温焙烧参数为:300oC氮气保护干燥20-30min，然后1-2oC /min-1升至1100-1300oC，恒温干燥1-2h，自然降温。
（7）重复步骤（5）和（6）；
关于选用高温焙烧的原因，基于氧化铝晶型对于催化剂载体的强度和催化性能的影响，如果不进行焙烧，所述形成γ-Al2O3为粉末，无法保持针刺状结构，而α-Al2O3的强度高，可以有效的保持模板的形状,本发明选用α-氧化铝作为基材，焙烧温度1100-1300oC，氧化铝由γ-Al2O3经δ-Al2O3过渡到α-Al2O3，且α-Al2O3载体相比于其他氧化铝晶型具有更好的低温活性，如附图5的XRD所示，经过高温焙烧的氧化铝为α-Al2O3，衍射峰型尖锐，晶型结构完美。
此外，步骤（5）-（6）需要多次进行，是因为在焙烧过程中失水以及晶型的改变，会使得氧化铝发生收缩，煅烧过程中使用氮气作为保护气，以保护硅基材模板。
（8）氟气体除去硅基材的加热温度为35-40oC，时间为1-2h：使用氟气除去氧化硅，而避免使用碱或者酸对基材进行腐蚀，是由于氧化铝为两性氧化物，虽然α氧化铝的耐酸碱性优于硅基材，但是在腐蚀基材的过程中会造成针刺状氧化铝尖端的腐蚀，因此避免选用酸碱除去基材，而该用氟气体，氟与硅简单加热，较容易发生反应并挥发，而α氧化铝需要在熔融高温条件下才会与氟发生反应，条件苛刻。
（9）本发明无需使用硝酸除去Ag离子，所述银离子作为助金属，改善催化活性用，节省处理过程，获得的针刺状氧化铝结构如附图1和附图2所示，如果依照实际用途，如氟化银的存在不利于催化反应的进行，只需将所述催化剂载体浸泡于水中，即可处于位于尖端附近的氟化银颗粒。
本发明所述方案具有以下有益效果：
（1）通过有效控制Ag颗粒在硅基材表面的分布状况和粒径，进而通过金属催化腐蚀获得尺寸和形态较为均匀的腐蚀孔。
（2）通过扩孔处理，有效的实现了定向腐蚀，并提高了孔容，方便后续的氧化铝溶胶的涂覆。
（3）所述硅孔道结构完整，界面清晰，孔道均匀，获得的氧化铝为针刺状结构。
（4）Ag金属颗粒无需去除，可用于气-固相催化反应的活性组分。
附图说明
图1为本发明的针刺状氧化铝SEM截面图。
图2为本发明的针刺状氧化铝SEM俯视图。
图3为本发明的扩孔后的硅基材SEM俯视图。
图4为本发明的扩孔后的硅基材SEM放大图。
图5为本发明的α-氧化铝的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
一种针刺状氧化铝载体的制备方法, 包括如下步骤：
（1）预处理硅基材料：将单晶硅片裁剪至合适尺寸，然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污，清洗次数1次，然后再用10wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，去离子水洗涤，惰性气氛下干燥；
（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒：化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液，AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2∶4，温度为30oC，时间为1min；
（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料，获得腐蚀孔：腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液，HF浓度为0.3M，H2O2的浓度为 0.3M，时间为 60min，温度为常温，腐蚀后离子水洗涤，空气干燥氧化;
（4）腐蚀扩孔；氧化温度为700oC，在单晶硅表面形成无序氧化硅，时间为30min，然后降温浸泡于10wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，所述腐蚀扩孔步骤可重复1次，以获得大孔径腐蚀孔;
（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶：将3 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后，加入1.5 M HNO3，获得氧化铝水溶胶持续搅拌2 h，将步骤（4）获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中，抽真空，将氧化铝溶胶填充于孔道表面；
（6）高温焙烧：300oC氮气保护干燥20min，然后1oC /min-1升至1100oC，恒温干燥1h，自然降温；
（7）重复步骤（5）和（6），重复次数为2次。
（8）氟气体除去硅基材，氟气体除去硅基材的加热温度为35oC，时间为1h，获得针刺状氧化铝载体。
实施例2
一种针刺状氧化铝载体的制备方法, 包括如下步骤：
（1）预处理硅基材料：将单晶硅片裁剪至合适尺寸，然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污，重复清洗次数2次，然后再用12.5wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，去离子水洗涤，惰性气氛下干燥；
（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒：化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液，AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶2.5∶6，温度为32.5oC，时间为1.5min；
（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料，获得腐蚀孔：腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液，HF浓度为0.35M，H2O2的浓度为 0.35M，时间为 70min，温度为常温，腐蚀后离子水洗涤，空气干燥氧化;
（4）腐蚀扩孔；氧化温度为700oC，在单晶硅表面形成无序氧化硅，时间为35min，然后降温浸泡于12.5wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，所述腐蚀扩孔步骤可重复2次，以获得大孔径腐蚀孔;
（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶：将4g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后，加入1.75 M HNO3，获得氧化铝水溶胶持续搅拌2.5 h，将步骤（4）获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中，抽真空，将氧化铝溶胶填充于孔道表面；
（6）高温焙烧：300oC氮气保护干燥25min，然后1.5oC /min-1升至1200oC，恒温干燥1-2h，自然降温；
（7）重复步骤（5）和（6），重复次数为3次。
（8）氟气体除去硅基材，氟气体除去硅基材的加热温度为37oC，时间为1.5h，获得针刺状氧化铝载体。
实施例3
一种针刺状氧化铝载体的制备方法, 包括如下步骤：
（1）预处理硅基材料：将单晶硅片裁剪至合适尺寸，然后依次经过乙醇、丙酮、去离子水超声清洗除去油污，重复清洗次数3次，然后再用15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，去离子水洗涤，惰性气氛下干燥；
（2）在硅表面化学沉积Ag颗粒：化学沉积液为硝酸银和氢氟酸的水溶液，AgNO3∶HF∶H2O体积比为1∶3∶8，温度为35oC，时间为2min；
（3）Ag颗粒催化腐蚀硅材料，获得腐蚀孔：腐蚀液为氢氟酸和双氧水的水溶液，HF浓度为0.45M，H2O2的浓度为 0.4M，时间为80min，温度为常温，腐蚀后离子水洗涤，空气干燥氧化;
（4）腐蚀扩孔；氧化温度为700oC，在单晶硅表面形成无序氧化硅，时间为40min，然后降温浸泡于15wt%氢氟酸浸泡10min除去氧化层，所述腐蚀扩孔步骤可重复3次，以获得大孔径腐蚀孔;
（5）向腐蚀孔内填充氧化铝硅溶胶：将5 g拟薄水铝石在搅拌条件下分批加入到去离子水中后，加入2 M HNO3，获得氧化铝水溶胶持续搅3 h，将步骤（4）获得的扩孔后基材浸泡于氧化铝溶胶中，抽真空，将氧化铝溶胶填充于孔道表面；
（6）高温焙烧：300oC氮气保护干燥30min，然后2oC /min-1升至1300oC，恒温干燥2h，自然降温；
（7）重复步骤（5）和（6），重复次数为4次。
（8）氟气体除去硅基材，氟气体除去硅基材的加热温度为40oC，时间为2h，获得针刺状氧化铝载体。
通过实施例1-3的样品测试和统计，得出所述针刺状氧化铝的针刺分布为20-40个/μm2，针刺尖端15-25nm，相邻针刺尖端的距离130-150nm，氧化铝针刺高度为5-8μm，比表面积10-13 m2/g。
以上，虽然通过优选的实施例对本实用发明进行了例示性的说明，但本发明并不局限于这种特定的实施例，可以在记载于本发明的保护范围的范畴内实施适当的变更。
