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镁铝尖晶石(MgAl2O4)具有熔点高、绝缘性好、热膨胀系数小、抗化学腐蚀能力强及硬度高等性质,被广泛应用在冶金、化学、生物、医学、航天航空、军事等领域。传统镁铝尖晶石的制备,大多采用氧化镁(MgO)与氧化铝(Al2O3)煅烧的方法合成。其煅烧温度需要在高达1450～1600℃以上才能完成,而且合成的MgAl2O4的聚集再结晶能力弱,致密烧结比较困难,煅烧时间长。这既增加了尖晶石材料的制备成本,也限制了其广泛应用,因而低温条件下合成镁铝尖晶石的探索对推动现代工业的发展具有重要意义。MgAl-LDH的结构类似于水镁石Mg(OH)2,其层板金属离子类型与MgAl2O4相同且可根据需要进行调整,在一定焙烧温度下可以转化生成尖晶石型复合金属氧化物。MgAl-LDH层板金属离子Mg2+和Al3+可以实现同晶取代,且在水滑石每个结构单元中,化学组成相同,并且LDH存在晶格定位效应,以其为前体的原位合成方法,能够实现反应物金属离子的高度分散和在分子水平的接触,再加上重构作用能提高反应物的活性,这些独特的性质使得以LDH为前体在温和条件下合成组分可调、成分及结构均匀的MgAl2O4成为可能。
本文以氯化镁、氯化铝、氯化钠和氢氧化钠为原料,采用共沉淀法制备了镁铝水滑石并以其为前体通过低温焙烧-插层重构-原位合成镁铝尖晶石粉体。讨论了原料中金属离子摩尔配比、晶化温度、晶化时间、重构次数、前躯体焙烧温度以及焙烧保温时间等因素对产物晶形和结晶性能等方面的影响。利用上述合成路线不但能合成结晶性能和微观结构好的水滑石产物,还能在较低温度和较短时间内合成具有一定形态的立方体晶系、晶面形态较为完整的镁铝尖晶石粉体。如镁铝摩尔比例为1:1.5条件下合成的水滑石前体在450℃甚至更低温度下焙烧2h,出现了较弱并宽化的镁铝尖晶石衍射峰,通过低温焙烧-插层重构-原位合成路线,不但重构合成了晶形好的水滑石,而且焙烧生成的镁铝尖晶石衍射峰会逐渐变强变窄；镁铝摩尔比例为1:1.5条件下合成的水滑石前体在850℃甚至750℃或650℃焙烧2h,生成了强衍射峰和半峰宽较窄的镁铝尖晶石晶体,通过低温焙烧-插层重构-原位合成路线,不但能部分重构合成水滑石,而且焙烧生成的镁铝尖晶石衍射峰将会逐渐变强变窄,晶形也逐渐变好。通过采用共沉淀法制备镁铝水滑石并以其为前体通过低温焙烧-插层重构-原位合成镁铝尖晶石粉体工艺路线,本文得到如下结论:在镁铝摩尔比例为1:1.5、晶化温度为65℃、晶化时间为24h条件下合成的镁铝水滑石前体,在850℃焙烧温度下焙烧2h,并将焙烧产物进行4次焙烧重构反应,可以合成具有一定的立方体晶系、晶面形态较为完整的镁铝尖晶石粉体。