研究背景
納米Al2O3作為一種重要的納米材料，具有比表面積大、孔容大和表面活性中心多等優點，被廣泛用作催化劑載體、催化劑和吸附劑等。剛玉（α-Al2O3）具有高的機械穩定性，納米顆粒的α-Al2O3則可以無需洗塗直接用作載體；作為合成氨催化劑載體，可提升催化活性。
過去有一些實驗研究了剛玉納米顆粒（α-Al2O3）的熱力學和合成方法。然而，迄今為止尚未開發出一種可用於製備表面積超過100 m2 g-1 高純剛玉的方法。主要的原因是反應需要克服高活化能勢壘（485 kJ mol-1），反應溫度高於1473 K才能將氧化物離子從過渡氧化鋁中的立方緊密堆積結構重新排列成六方緊密堆積晶型。這種轉變通常會在轉化過程中導致大量的質量轉移，這通常會導致表面積的損失。
在室溫下，γ-Al2O3實際上可能是氧化鋁納米顆粒的熱力學最穩定相，對應於100至200 m2 g-1的表面積。在800 K時，即使在較低的表面積下，γ- Al2O3也可能變得穩定。因此，傾向於導致形成最穩定相的高溫工藝決不能製備出高表面積的α- Al2O3。但理論研究表明，多晶型氧化鋁的表面能及其穩定性在很大程度上取決於微晶的大小和羥基化程度。因此，合成表面積大於100 m2 g-1的α- Al2O3是可行的，但通過1500 K的高溫法制備α- Al2O3並不成功。
成果簡介
為解決上述問題，德國馬克斯·普朗克煤炭研究所的Amol P. Amrute和Ferdi Schüth開發了一種在室溫下通過勃姆石（γ-AlOOH）合成納米級α- AlO粒徑〜13 nm，表面積〜140 m g）的簡便方法。這種機械化學脫水的方法對勃姆石（γ-AlOOH）進行球磨，通過機械誘導的脫水反應，且球磨對顆粒表面能的影響，製備出直徑約13 nm的高純度剛玉（α- AlO）納米顆粒。
該成果以“High-surface-area corundum by mechanochemically induced phase transformation of boehmite”為題於2019年10月25日在線發表在國際期刊Science上。
圖文導讀
圖1 α-Al2O3合成方法示意圖
圖2 通過對勃母石球磨製備的α-Al2O3 XRD圖及比表面圖
圖3 γ- Al2O3和γ-AlOOH相對於α-Al2O3的自由能
圖4 通過對勃母石球磨製備的α-AlO形貌結構表徵
High-surface-area corundum by mechanochemically induced phase transformation of boehmite（Science .2019. DOI: 10.1126/science.aaw9377）
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