Porozni materiali se pogosto uporabljajo v katalizi, ločevanju in energetskih poljih zaradi svoje visoke specifične površine in nastavljive strukture por. Med njimi je porozni aluminijev oksid s svojo odlično toplotno stabilnostjo, kemično inertnostjo in nizkimi stroški postal eden najpomembnejših nosilcev katalizatorjev in šablonskih materialov. Natančen nadzor nad njegovo strukturo je ključnega pomena za izboljšanje učinkovitosti povezanih tehnologij.
Porozni aluminijev oksid je visoko{0}}površinski-material aluminijevega oksida s številnimi majhnimi porami, ki zagotavljajo večjo površino in reakcijska mesta za kemične reakcije in adsorpcijo. Običajno se uporablja v katalizatorjih, adsorbentih, materialih za ločevanje, polnilih, nosilcih in drugih aplikacijah. Njegovo velikost in porazdelitev por je mogoče nadzorovati z različnimi metodami priprave, da izpolni različne zahteve uporabe.
Metode priprave poroznega aluminijevega oksida
Običajne metode za pripravo poroznega aluminijevega oksida vključujejo obarjanje, hidrotermalno sintezo, obdelavo sol-gela, emulzijske metode, elektrolitske metode, trdo templatiranje in mehko templatiranje. V različnih aplikacijah te metode na splošno uporabljajo površinsko aktivne snovi za tvorbo micel kot predloge za usmerjeno sintezo mezoporoznih materialov, čeprav ima vsaka metoda svoj poseben fokus.
Metoda obarjanja
Metoda obarjanja vključuje dodajanje obarjalnika anorganskemu viru aluminija in prilagajanje pogojev, kot so koncentracija reaktantov, pH, način mešanja in topilo za izpiranje, da se sintetizira porozni aluminijev oksid s posebnimi morfologijami. Pogosto uporabljeni viri aluminija vključujejo aluminijev sulfat, aluminijev nitrat, aluminijev klorid in njihove hidrate. Tipični precipitanti vključujejo amonijevo vodo, natrijev hidroksid, amonijev karbonat, amonijev bikarbonat in amonijev hidroksid. Po staranju, sušenju in žganju dobimo porozni aluminijev oksid želene morfologije.
Hidrotermalna metoda
Hidrotermalna metoda vključuje dajanje mešane raztopine v zaprt reaktor in uporabo visoke-temperature in visokega{1}}tlaka okolja za spodbujanje raztapljanja in rekristalizacije težko topnih ali netopnih snovi. Z nadzorovanjem reakcijskega časa, temperature in sestave reaktantov je mogoče pripraviti porozne materiale iz aluminijevega oksida z različnimi velikostmi por, poroznostjo in debelino sten. Morfologija hidrotermalno sintetiziranega poroznega aluminijevega oksida je tesno povezana s temperaturo vode, tlakom, dielektrično konstanto, viskoznostjo in difuzijskim koeficientom raztopine.
Sol-gel metoda
Sol-gel metoda vključuje segrevanje in mešanje aluminijevih soli in raztopin amonijeve soli, da najprej dobimo predhodnik sol-gela, čemur sledi pranje z alkoholom, staranje, sušenje in kalcinacija, da se sintetizira porozni aluminijev oksid. Običajne aluminijeve soli vključujejo aluminijev nitrat, aluminijev klorid in njihove hidrate. Med pripravo je potreben natančen nadzor pH in koncentracije mešane raztopine, da dobimo enakomerno razpršen porozni prah aluminijevega oksida visoke-čistosti.
Metoda trdih predlog
Metoda trde šablone vključuje polnjenje predhodnih materialov v trdne šablone, čemur sledijo postopki, kot so raztapljanje, ekstrakcija, filtracija, sušenje in kalcinacija, da se sintetizira porozni aluminijev oksid. Pogosto uporabljene trde predloge vključujejo silicijev dioksid, urejen mezoporozni ogljik, vlakna, polimerne mikrosfere in druge.
Mehka metoda šablon
Mehko modeliranje uporablja medmolekulske ali intramolekularne interakcije (npr. vodikove vezi in elektrostatične sile) za oblikovanje agregatov (tekoči kristali, vezikli, miceli, mikroemulzije, samo-sestavljeni filmi itd.) s posebnimi strukturnimi lastnostmi med reakcijo. Reaktanti uporabljajo te agregate kot predloge za ustvarjanje delcev z definirano morfologijo in strukturo. Običajno uporabljene mehke predloge vključujejo blok kopolimere, polimere, površinsko aktivne snovi, sredstva za kompleksiranje in mehurčke. V primerjavi s trdimi predlogami je metoda mehkih predlog enostavnejša in bolj neposredna pri odstranjevanju predlog ter ponuja več vrst predlog.
Med temi metodami metoda obarjanja proizvaja porozno aluminijev oksid po nizki ceni, vendar je njeno velikost in porazdelitev težko nadzorovati, kar omejuje njeno uporabo za pripravo porozne aluminijevega oksida s specifičnimi velikostmi por in porazdelitvijo. Hidrotermalna metoda je preprosta za uporabo, zahteva kratke reakcijske čase in ponuja nastavljivo velikost in porazdelitev por, vendar njene pomanjkljivosti vključujejo težave pri nadzoru morfologije produkta in potrebo po pogojih visokega{1}}tlaka. Metoda sol-gela daje porozni aluminijev oksid z nastavljivo velikostjo in porazdelitvijo por, visoko specifično površino in visoko poroznostjo, vendar je postopek njene priprave razmeroma okoren in zahteva dolge reakcijske čase. Metoda trde šablone ponuja nadzorovano velikost por in porazdelitev izdelka, vendar njene slabosti vključujejo potrebo po korakih za odstranitev šablone in težave pri recikliranju materialov šablone. Metoda mehke šablone proizvaja porozni aluminijev oksid z razmeroma pravilnimi kristalnimi strukturami, med seboj povezanimi kanali por, enakomerno debelino stene, regenerativnostjo in razgradljivostjo, natančnim nadzorom nad velikostjo in morfologijo por ter dobro stabilnostjo in ponovljivostjo, zaradi česar je primeren za-velikoserijsko proizvodnjo.
Kristalne faze aluminijevega oksida
Aluminijev oksid je poceni in pogosto uporabljen anorganski material s kompleksno strukturo in več kristalnimi fazami, kot so -Al₂O3, -Al₂O₃, -Al₂O₃, δ-Al₂O3, θ-Al₂O₃, η-Al₂O3, κ-Al2O3, χ-Al₂O3 in ρ-Al₂O₃.
Porozni aluminijev oksid je anorganski material z odlično kemično in toplotno stabilnostjo, običajno pridobljen s toplotno-obdelavo aluminijevega hidroksida pri določenih temperaturah. Njegova kristalna struktura je podvržena rednim transformacijam z naraščajočo-temperaturo toplotne obdelave, različne kristalne faze pa kažejo pomembne razlike v fizikalno-kemijskih lastnostih in makroskopski strukturi.
-Al₂O₃
-Al₂O₃ ima trigonalni kristalni sistem in je znan tudi kot korund. Ima visoko energijo rešetke in je najbolj stabilna faza med vsemi polimorfi aluminijevega oksida. Posledično ima odlične fizikalno-kemijske lastnosti, kot so kislinska odpornost, odpornost na alkalije, toplotna odpornost, visoka trdota in visoka trdnost, in se pogosto uporablja v keramiki, površinskih zaščitnih premazih, ognjevzdržnih materialih, katalizatorjih in nosilcih katalizatorjev, optičnih materialih in na drugih področjih.
-Al₂O₃
Pri uporabi poroznega aluminijevega oksida je -Al₂O₃ kot "aktivirani aluminijev oksid" najpogosteje uporabljena faza. Ta faza nima samo dobro-razvite strukture por, dobre mehanske trdnosti in ustreznih kislih mest, ampak tudi odlično peptizacijsko zmogljivost v kislih pogojih. Zato je nepogrešljiv v industrijskih procesih, kot sta rafiniranje nafte in Fischer–Tropscheva sinteza, zaradi česar je zelo dragocen osnovni kemični material z visoko-dodano-vrednostjo.
Kot ključna podpora katalizatorju -Al₂O₃ vpliva na delovanje katalitične reakcije predvsem prek dveh vidikov svojih strukturnih značilnosti. Prvič, moč interakcije med nosilcem in aktivnimi komponentami neposredno vpliva na stanje disperzije in elektronsko strukturo aktivnih komponent na površini. Drugič, lastna struktura por nosilca določa prenos mase in učinkovitost difuzije reaktantov in produktov. Ta dva dejavnika skupaj določata celotno reakcijsko učinkovitost katalizatorja.
ρ-Al₂O₃
ρ-Al₂O₃ lahko zaradi svoje edinstvene skoraj-amorfne strukture služi kot osnovna komponenta visoko-zmogljivih ognjevzdržnih materialov in kot podpora v reakcijah selektivnega hidrogeniranja acetilena. Je napredno vezivo, razvito v preteklem desetletju in se zaradi svojih odličnih lastnosti pogosto uporablja. Ponuja vrhunsko visoko-temperaturno odpornost, odpornost proti koroziji in prostorninsko stabilnost v primerjavi s čistim kalcijevim aluminatnim cementom, zaradi česar je dober nadomestek za slednjega. Pri visokih temperaturah se pretvori v -Al₂O₃. Dodajanje ρ-Al₂O₃ služi tako kot vezivo kot sam visokokakovostni ognjevzdržni oksid-z očitnimi prednostmi.
δ-Al₂O₃
δ-Al₂O₃ ima posebno vrednost pri adsorpcijskem ločevanju in pripravi katalizatorja zaradi svojih edinstvenih površinskih značilnosti.
κ-Al₂O3
κ-Al₂O₃ s svojo fino zrnatostjo in koncentrirano porazdelitvijo velikosti por je našel pomembno uporabo v naprednih ognjevzdržnih materialih in strukturni keramiki.
Poleg tega med prehodnimi aluminijevimi oksidi η-Al₂O3 in -Al₂O₃ oba pripadata kubičnemu kristalnemu sistemu in imata podobne parametre strukture por, vendar ima prvi večjo gostoto površinskih mest Lewisove kisline, kar kaže vrhunsko katalitično učinkovitost v reakcijah, ki jih katalizira kislina-, kot je dehidracija metanola v dimetil eter.