介孔氧化铝纳米纤维因其在催化、耐火材料、污染物吸收、复合材料增强以及隔音或隔热等领域的广泛应用而备受关注。氧化铝纤维在环境保护中发挥着重要作用，特别是在无焰燃烧系统中作为催化剂载体。然而，传统氧化铝纤维存在高脆性、柔韧性差和比表面积低等问题，限制了其应用范围。研究表明，减小纤维直径并防止氧化铝转变为稳定的α-Al₂O₃晶相，可以显著改善纤维的物理和化学性能。此外，硅作为添加剂，可以延缓氧化铝向α-Al₂O₃的相转变，从而稳定亚稳相，进一步提升纤维的性能。

静电纺丝作为一种可控参数的合成技术，在氧化铝纤维的制备中有较大潜力。然而，与制备纯聚合物纤维相比，通过静电纺丝制备陶瓷纤维更具挑战性，需要优化的点在于如何提高陶瓷/聚合物前驱体比例，以增强纤维的强度、柔韧性和连续性。目前，使用勃姆石作为前驱体的研究较少。本研究旨在通过使用勃姆石溶胶和PVA，以高陶瓷/聚合物比例进行静电纺丝，制备介孔氧化铝纳米纤维，以降低成本并提高纤维质量，同时探索其在实际应用中的潜力。

本研究选用勃姆石溶胶和 PVA 作为主要前驱体制备 γ-Al₂O₃纳米纤维，成本效益高。传统制备方法常采用如铝异丙醇盐（AIP）等昂贵且有毒的前驱体，不适合大规模生产。而本研究的创新之处在于使用价格低廉的勃姆石溶胶，有效降低了生产成本。在实验过程中，通过将 17% 的勃姆石溶胶、8% 的 PVA 溶液按勃姆石 / PVA 重量比为 3 进行混合，成功制备出纺丝溶胶，并顺利进行静电纺丝（实验步骤及参数设置见图 1 和表 1）。这一过程克服了静电纺丝合成陶瓷纳米纤维时陶瓷 / 聚合物比例低的难题，为大规模生产提供了可能。

图1. 氧化铝纳米纤维合成步骤示意图

表1. 纺丝溶液和煅烧温度的实验细节

纳米纤维展现出 204 m²/g 的高比表面积和可控的孔径分布。通过 BET 分析，对 BS - 950 样品（含硅溶胶，950°C 煅烧）进行检测，其比表面积为 204.19 m²/g（见表2） 。从图 2 的 N₂吸附和脱附等温线及 BJH 孔径曲线可以看出，纳米纤维的孔径主要分布在 1 - 10nm，属于介孔纤维，且孔径分布相对较窄，表明其具有可控的孔径分布。这种高比表面积和合适的孔径分布特性，使纳米纤维在催化剂载体等领域具有潜在应用价值。

表2.BET规格

图2. a,c,e) 不同温度下煅烧的 BS 纤维的氮气吸附和脱附曲线以及 b,d,f)孔径分布

研究发现勃姆石与 PVA 之间存在强相互作用，这种作用导致在 950°C 的煅烧温度下碳仍不完全去除。STA 分析显示，B 样品（勃姆石 / PVA）的热行为与 PVA 有明显差异。在 PVA 的热分解过程中，190 - 410°C 出现宽吸热峰，对应 PVA 的熔化和脱水等过程；而 B 样品在 170°C 出现尖锐放热峰，这是由于勃姆石颗粒与 PVA 形成了 Al - O - C 键（见图 3），这种键的形成以及二者之间的氢键作用，改变了 PVA 的分解过程，使 PVA 分解延迟，导致碳不完全去除。FTIR 分析也为这种相互作用提供了证据，在复合纳米纤维（B 和 BS 样品）中，PVA 和勃姆石的部分官能团峰发生变化，如 PVA 的 847 cm⁻¹（长链摇摆 - 弯曲振动）和 1095 cm⁻¹（醇类 C - O 单键伸缩振动）以及勃姆石的 545 cm⁻¹（AlO6八面体伸缩振动）等峰消失（见图 4），表明二者发生了化学反应，形成了新的化学键，进而影响彼此的热行为。

图3. a) PVA，b) BS，c) B，d) BS-950纳米纤维的STA图

图 4. 焙烧前未煅烧 PVA、勃姆石、勃姆石/PVA 和勃姆石/PVA/二氧化硅纳米纤维的 FTIR 光谱

勃姆石与 PVA 的共存不仅影响 PVA 热分解，还改变勃姆石热行为，延缓了勃姆石中羟基释放，推迟了氧化铝相转变。XRD 分析表明，不含硅的样品在 550°C 时，γ - AlOOH 转变为 γ - Al2O3，随着温度升高到 950°C，峰形变化显示结晶度增加，结构缺陷减少（见图 5）。而含硅的 BS 样品在 550 - 950°C 的 XRD 图谱变化不明显，说明硅溶胶的加入抑制了氧化铝的晶粒生长，稳定了 γ - Al2O3相。结合 STA 分析，BS 样品的 DTA 曲线中各峰更宽且强度更低，表明二氧化硅的存在为低温相向高温相的转变创造了能量势垒，延缓了勃姆石的脱水过程和氧化铝的相转变，增强了 γ - Al2O3相的热稳定性。

图5. a) B-550 b) B-750 c) B-950 d) BS-550 e) BS-750 f) BS-950 纳米纤维（25 kx）的场发射扫描电子显微镜（FESEM）显微照片

本研究制备方法在获得高比表面积、小晶粒尺寸的过渡氧化铝相并使其稳定方面优势显著，可作为高热稳定性的催化剂载体。γ - Al2O3因其缺陷（活性）位点和高表面面积，在多相催化反应中应用广泛。本研究通过控制制备条件和添加硅溶胶，制备出的纳米纤维具有高比表面积和稳定的 γ - Al2O3相，在作为催化剂载体时，能为活性金属催化剂颗粒提供良好的分散和锚固表面，提高催化剂的性能和稳定性，满足实际催化应用的需求。此外，与其他研究中使用的昂贵前驱体（如 AIP）和孔形成剂（如 P123、P127）相比，本研究的前驱体成本低廉且易于获取。在制备过程中，能够实现较高的陶瓷/聚合物比例（勃姆石 / PVA 重量比为 3），提高了生产效率和产品质量。从实验结果来看，所制备的纳米纤维性能优异，具备大规模生产的潜力。

总的来说，在纳米纤维制备方面取得了一定实验成果，但煅烧过程对纤维的微观结构和性能仍有重要影响，需要进一步优化煅烧参数，如温度、升温速率等，继续提高纤维的质量和性能。同时，评估纤维在催化反应中的实际应用性能，如催化活性、选择性和稳定性等，对于确定其在工业催化领域的实用价值至关重要，这为后续的研究和应用提供了更明确的方向。

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查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.01.550