高い

Nature Communications volume 13、記事番号: 5027 (2022) この記事を引用

3598 アクセス

8 件の引用

3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

高表面積のα-Al2O3 ナノ粒子は、高強度セラミックと安定した触媒担体に使用されます。 γ-Al2O3 からの相変態による α-Al2O3 の生成は、高い活性化エネルギー障壁によって妨げられ、通常は長時間の高温アニーリング (約 1500 K、> 10 時間) が必要であり、凝集が発生します。 ここでは、γ-Al2O3のパルス直流ジュール加熱による脱水α-Al2O3ナノ粒子（相純度〜100％、粒径〜23 nm、表面積〜65 m2 g−1）の合成を報告する。 相変態は、バルク温度を下げ、持続時間 (約 573 K、< 1 秒) で、中間の δ'-Al2O3 相を介して完了します。 数値シミュレーションにより、パルス電流プロセスにおける抵抗性ホットスポットによる局所加熱が急速な変換を可能にすることが明らかになりました。 理論計算によると、トポタクティック転移 (γ- から δ'-、そして α-Al2O3) がそれらの表面エネルギーの違いによって引き起こされることが示されています。 α-Al2O3 ナノ粒子は焼結されて、市販のアルミナよりも優れ、サファイアに近い硬度を備えたナノ粒子セラミックになります。

高表面積コランダム ナノ粒子 (α-Al2O3 NP) には幅広い用途があります。 たとえば、コランダムは生体医療インプラント 1、2 や高速切削工具 3 用のセラミックに広く使用されています。 α-Al2O3 NP 前駆体は、低下した焼結温度 6 での破壊靱性 4、耐摩耗性 5、および高密度が大幅に向上したナノメートル粒子のアルミナ セラミックスへのアクセスを提供します。 γ-Al2O3 NP は表面積が大きいため主に触媒担体として使用されますが 7、表面積の大きい α-Al2O3 は自動排気 Pt-Mo-Co 触媒コンバーターの触媒担体として使用でき 8、Ru 触媒活性を向上させる可能性があります。アンモニア合成用9. α-Al2O3 の高い機械的安定性により、低い焼結挙動が可能になります。これは、過酷な条件下で合成ガスを得る改質反応に使用するために不可欠です。

α-Al2O3 の合成を改善するために多くの努力が払われてきましたが、さまざまな固有の熱力学的限界により、高表面積の NP を提供するプロセスはほとんどありません 6、12、13。 まず、コランダムは粗く結晶化した酸化アルミニウム (Al2O3) の熱力学的に安定した相ですが、以前の実験観察と理論計算に基づくと表面エネルギーが低いため、ナノ結晶 Al2O3 を合成すると通常は γ-Al2O3 が生成されます 12、14、15。 2 番目の理由は、γ 相の立方最密構造から α 相の六方最密構造への相変態に対する活性化エネルギー障壁が約 485 kJ mol-1 と高いため、集中的な結合破壊とリメイク16. 第三に、α-Al2O3 の密度（3.99 g cm-3）17 は、遷移アルミナ相の密度（γ-、η-、δ-Al2O3 の場合は 3.6 ～ 3.67 g cm-3）17 よりも高いため、十分なエネルギーが得られます。あるいは、遷移アルミナからα-Al2O3 への密度上昇プロセスには高圧 18 が必要です。 その結果、熱プロセスでは通常、相変態を促進するために 1470 K を超える温度と 10 ～ 20 時間の長時間のアニーリング時間が必要になります 16,17。これにより、アルミナ相の有害な凝集や焼結が発生する可能性もあります。 高エネルギーの投入と長時間にわたる高温アニーリングでは、実質的な物質移動により、通常、表面積が 10 m2 g-1 未満になります 13。 さらに、相変態中の Al2O3 の多形性により複雑さがさらに増し、望ましくないδ-およびθ-Al2O3 を含む混合遷移アルミナが生じる可能性があります16,19,20。

アルミナの相変態と粒子成長は、通常、どのような熱プロセスでも共存します。 これまでの反応速度論研究では、γ-Al2O3 から α-Al2O3 への相変態の活性化エネルギーは、サンプル条件に応じて約 200 ～ 500 kJ mol-1 であることが示されています 16,21,22。 対照的に、粒子成長の活性化エネルギーは、粒界の方位に応じて約 500 ～ 900 kJ mol-1 です 23、24、25、26。 これは、相変態の反応速度が粒子の成長よりも速い可能性があることを意味します。 したがって、これらの以前の結果に基づいて、急速で低温の熱プロセスにより結晶粒の粗大化が減少し、相変態プロセス中に高い表面積が維持されると推測するのは合理的です。