CN108217705A - 一种纳米级氧化铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米级氧化铝的制备方法，其中：电池放电过程使用的电解液为NaOH,浓度为2M～5M，放电电解液温度为20℃～65℃之间。放电过程为恒电流放电，放电电流密度为10mA/cm2～120mA/cm2。放电后所得电解液或含有微量沉淀物，或为凝胶态电解液，所得电解液在室温下密封陈化1～8天，得大量白色沉淀。沉淀经分离，UP水清洗，真空条件下干燥，得到高纯氢氧化铝原料。氢氧化铝经高温焙烧得粒径均匀纳米级高纯氧化铝。本发明制造的氧化铝无论从粒径、纯度都能达到商业标准，大大降低了铝‑空气电池的原材料和使用成本，有利于变废为宝，提高铝‑空气电池整体的经济效益与环保价值。

Description

一种纳米级氧化铝的制备方法
技术领域
本发明属于材料制造技术领域，涉及一种铝-空气电池放电过程制备粒径均匀纳米级高纯氧化铝方法。
背景技术
粒径均匀纳米级高纯氧化铝在锂离子电池隔膜涂层、透明陶瓷、高端结构陶瓷、催化剂载体等领域有着广阔的市场。目前纳米级高纯氧化铝的工业制造方法主要为醇盐水解法、改良拜耳法、水热法和化学沉淀法等，这些方法虽然都可以得到粒径均匀、形貌良好的纳米级高纯氧化铝，但或多或少都存在资源浪费、设备操作条件严苛等缺点。
铝-空气电池在放电过程中随着溶液中铝酸根离子浓度逐渐饱和，会析出大量氢氧化铝沉淀，沉淀的产生对电解液管理及电池性能都会造成不利影响，从而制约了铝-空气电池的商业化应用。通过调变放电过程参数，将沉淀转化为适合工业应用的氧化铝的原料，对降低铝-空气电池的原材料和使用成本、实现资源的可持续利用，增加电池的经济效益与环保价值具有积极作用，因此研究意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过铝-空气电池放电过程制备粒径均匀纳米级氧化铝方法方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
1)所述铝-空气电池包括99.99％以上高纯铝阳极，空气阴极与铝阳极平行放置，并置于铝阳极两侧。电解液为纯度为99.99％的电子级NaOH溶于高纯水中配成。
2)启动铝-空气电池进行恒电流放电，放电电流密度优选10～120mA/cm2，电池放电过程中电解液保持恒温。
3)放电结束后取出电解液，室温条件下进行密封陈化，至溶液电导率稳定。
4)分离陈化所得沉淀。
5)用高纯水对沉淀物进行反复清洗，至清洗液的pH至中性。
6)沉淀物进行干燥处理，得氢氧化铝原料。
7)氢氧化铝原料经过高温焙烧，得粒径均匀纳米级氧化铝。
步骤1)中所配制NaOH浓度为2～5M，优选为4M。浓度太低，影响电池放电性能，而且不利于沉淀的产生；浓度太高，溶液粘度增大，不利于沉淀产物的均匀分散。
步骤2)所述恒温条件通过蠕动泵带动电解液循环方式实现。优选温度区间为20～65℃，温度太低，会影响电池放电性能，从而影响产物粒径与形貌；温度太高，会损坏阴极，使其催化性能下降，同时析氢严重，降低电池性能及阳极利用率。
步骤3)放电结束的条件为：对外放电电流密度大于等于70mA/cm2，放电过程截止电压为0.1V，对外放电电流密度小于70mA/cm2，放电过程截止电压为0.8V。
步骤3)所得电解液中含有微量沉淀或液体为凝胶态。
步骤3)电解液陈化时间位1～8天，陈化时间太短，所得沉淀量少，且容易形成无定形产物，影响氧化铝的最终形貌；陈化时间太长，使整个生产过程耗时延长，增加颗粒团聚的可能，使颗粒不均匀。
步骤4)沉淀分离采用循环水式真空泵进行抽滤分离。
步骤6)所得沉淀在真空条件下干燥48h，干燥温度为80℃。
步骤7)焙烧温度为1000～1200℃，温度太高，产物易团聚成大颗粒，温度太低，产物结晶度差，影响性能。
步骤7)保温时间为1～3h，保温时间太短，结晶度差；保温时间太长，容易形成大颗粒。
本发明的有益效果：本发明的通过铝-空气电池放电过程制备粒径均匀纳米级氧化铝的方法，对降低铝-空气电池的原材料和使用成本、实现资源的可持续利用，增加电池的经济效益与环保价值具有重要意义和研究价值。
附图说明
图1为实施例1所制备的氧化铝的粒度分析结果。
图2为实施例2所制备的氧化铝的粒度分析结果。
图3为实施例3所制备的氧化铝的粒度分析结果。
图4为实施例4所制备的氧化铝的粒度分析结果。
图5为实施例1所制备的氧化铝的SEM表观形貌分析。
图6为实施例1所制备的氧化铝的XRD谱图，(a)为本发明所得氧化铝粉末XRD谱图(b)氧化铝粉末标准XRD谱。
具体实施方式
实施例1：取4M NaOH溶液为电解液，质量纯度99.99％的高纯铝为电化学反应负极，Ag为电化学反应正极的催化剂，电池放电电流密度为100mA/cm2，于空气中进行恒电流放电，放电过程中电解液温度为35℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理5天，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥8h后，置于1200℃条件下焙烧，保温时间为2h。如图1所示，该放电方法所得颗粒平均粒度与主要颗粒粒度相差不大，且均在400nm左右。由XRD结果可知，产物为α-氧化铝，产物纯度高。SEM结果显示粒度分布均匀且在纳米级别。
实施例2：取4M NaOH溶液为电解液，质量纯度99.99％的高纯铝为电化学反应负极，MnO2为电化学反应正极的催化剂，电池放电电流密度为70mA/cm2，于空气中进行恒电流放电，放电过程中电解液温度为42℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理8天，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h后，置于1200℃条件下焙烧，保温时间为1h。如图2所示，可知颗粒平均粒度与主要颗粒粒度相差不大，且均在300nm左右，得到粒度均匀的纳米颗粒。此放电条件下能得到更为精细的纳米颗粒。
实施例3：取2M NaOH溶液为电解液，质量纯度99.996％的高纯铝为电化学反应负极，Ag为电化学反应正极的催化剂，电池放电电流密度为40mA/cm2，于空气中进行恒电流放电，放电过程中电解液温度为58℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理2天，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h后，置于1000℃条件下焙烧，保温时间为3h。如图3所示，可知颗粒平均粒度与主要颗粒粒度相差较大，但粒度仍为纳米级别。
实施例4：取4M NaOH溶液为电解液，质量纯度99.992％的高纯铝为电化学反应负极，Ag为电化学反应正极的催化剂，电池放电电流密度为120mA/cm2，于空气中进行恒电流放电，放电过程中电解液温度为25℃，放电结束后所得电解液密封陈化处理1天，真空泵抽滤得白色沉淀，80℃真空干燥48h后，置于1200℃条件下焙烧，保温时间为2h。如图4所示，可知颗粒平均粒度与主要颗粒粒度相差不大，且均在400nm左右，得到粒度均匀的纳米颗粒。

Claims (8)

1.一种纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：通过高纯铝的电化学氧化反应制备，具体包括以下步骤，
(1)通过以质量纯度大于等于99.99％高纯铝为电化学反应负极，氧气和/或空气为电化学反应正极物质，Ag、MnO2、AgNO3中的一种或两种以上为电化学反应正极的催化剂，以碱性电解质溶液为电解液进行电化学反应；
(2)对步骤(1)所述电化学反应后的电解液进行密封陈化处理得含有沉淀的混合液或凝胶态液体，对所得混合液或凝胶态液体进行洗涤、过滤、干燥处理得高纯氧化铝原料；
(3)对步骤(2)所得氧化铝原料进行高温焙烧，得粒径均匀纳米级氧化铝。
2.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述碱性电解质溶液为浓度为2M～5M之间的NaOH和/或KOH水溶液。
3.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述电化学反应放电电流密度为20mA/cm2～120mA/cm2。
4.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述电化学反应过程中电解液温度在20℃～65℃之间。
5.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述密封陈化处理时间为24-200小时。
6.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述高温焙烧温度为1000℃～1200℃，保温时间为1～3h。
7.如权利要求1所述纳米级氧化铝的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述干燥条件为真空条件下60-80℃干燥48h以上。
8.一种采用权利要求1-7任一所述方法制备的纳米级氧化铝，其特征在于：所述纳米级氧化铝的粒径在100-500nm之间。
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