Huokoisia materiaaleja käytetään laajalti katalyysissä, erotuksessa ja energiakentissä niiden suuren ominaispinta-alan ja säädettävien huokosrakenteiden vuoksi. Niiden joukossa huokoisesta alumiinioksidista, jolla on erinomainen lämpöstabiilisuus, kemiallinen inertisyys ja alhainen hinta, on tullut yksi tärkeimmistä katalyyttikantaja- ja mallimateriaaleista. Sen rakenteen tarkka hallinta on ratkaisevan tärkeää asiaan liittyvien teknologioiden suorituskyvyn parantamiseksi.
Huokoinen alumiinioksidi on suuren-pinta-alan-alumiinioksidimateriaali, jossa on useita pieniä huokosia, jotka lisäävät pinta-alaa ja reaktiopaikkoja kemiallisille reaktioille ja adsorptiolle. Sitä käytetään yleisesti katalyyteissä, adsorbenteissa, erotusmateriaaleissa, täyteaineissa, kantajissa ja muissa sovelluksissa. Sen huokoskokoa ja huokosten jakautumista voidaan ohjata erilaisilla valmistusmenetelmillä, jotta ne täyttävät erilaiset käyttövaatimukset.
Huokoisen alumiinioksidin valmistusmenetelmät
Yleisiä menetelmiä huokoisen alumiinioksidin valmistamiseksi ovat saostus, hydroterminen synteesi, sooli-geelikäsittely, emulsiomenetelmät, elektrolyyttiset menetelmät, kova mallinnus ja pehmeä mallintaminen. Eri sovelluksissa näissä menetelmissä käytetään yleensä pinta-aktiivisia aineita misellien muodostamiseen templaatteina mesohuokoisten materiaalien ohjattua synteesiä varten, vaikka jokaisella menetelmällä on oma spesifinen painopisteensä.
Saostusmenetelmä
Saostusmenetelmään kuuluu saostusaineen lisääminen epäorgaaniseen alumiinilähteeseen ja olosuhteiden, kuten reagoivan aineen pitoisuuden, pH:n, sekoitustavan ja pesuliuottimen, säätäminen huokoisen alumiinioksidin syntetisoimiseksi, jolla on tietyt morfologiat. Yleisesti käytettyjä alumiinilähteitä ovat alumiinisulfaatti, alumiininitraatti, alumiinikloridi ja niiden hydraatit. Tyypillisiä saostusaineita ovat ammoniakkivesi, natriumhydroksidi, ammoniumkarbonaatti, ammoniumbikarbonaatti ja ammoniumhydroksidi. Vanhentamisen, kuivaamisen ja kalsinoinnin jälkeen saadaan huokoista alumiinioksidia, jolla on halutut morfologiat.
Hydroterminen menetelmä
Hydroterminen menetelmä sisältää sekaliuoksen sijoittamisen suljettuun reaktoriin ja korkean{0}}lämpötilan ja korkeapaineisen Säätämällä reaktioaikaa, lämpötilaa ja reagoivien aineiden koostumusta voidaan valmistaa huokoisia alumiinioksidimateriaaleja, joilla on eri huokoskoko, huokoisuus ja seinämän paksuus. Hydrotermisesti syntetisoidun huokoisen alumiinioksidin morfologia liittyy läheisesti veden lämpötilaan, paineeseen, dielektrisyysvakioon, viskositeettiin ja liuoksen diffuusiokertoimeen.
Sol-geelimenetelmä
Sooli{0}}geelimenetelmään kuuluu alumiinisuolojen ja ammoniumsuolaliuosten kuumentaminen ja sekoittaminen ensin esiastesol-geelin saamiseksi, minkä jälkeen suoritetaan alkoholipesu, vanhentaminen, kuivaus ja kalsinointi huokoisen alumiinioksidin syntetisoimiseksi. Tavallisia alumiinisuoloja ovat alumiininitraatti, alumiinikloridi ja niiden hydraatit. Valmistuksen aikana sekoitetun liuoksen pH:ta ja pitoisuutta on valvottava huolellisesti, jotta saadaan tasaisesti dispergoitunut, erittäin -puhtaus huokoinen alumiinioksidijauhe.
Kova mallinnusmenetelmä
Kova mallinnusmenetelmä sisältää esiastemateriaalien täyttämisen kiinteisiin mallineisiin, mitä seuraa prosesseja, kuten liuotus, uutto, suodatus, kuivaus ja kalsinointi huokoisen alumiinioksidin syntetisoimiseksi. Yleisesti käytettyjä kovia malleja ovat piidioksidi, tilattu mesohuokoinen hiili, kuidut, polymeerimikropallot ja muut.
Pehmeä mallinnusmenetelmä
Pehmeä mallintaminen hyödyntää molekyylien välisiä tai molekyylinsisäisiä vuorovaikutuksia (esim. vetysidoksia ja sähköstaattisia voimia) muodostamaan aggregaatteja (nestekiteitä, rakkuloita, misellejä, mikroemulsioita, itse{2}}kokoontuneita kalvoja jne.), joilla on erityisiä rakenteellisia piirteitä reaktion aikana. Reagenssit käyttävät näitä aggregaatteja templaatteina tuottaakseen hiukkasia, joilla on määritelty morfologia ja rakenne. Yleisesti käytettyjä pehmeitä malleja ovat lohkokopolymeerit, polymeerit, pinta-aktiiviset aineet, kompleksinmuodostajat ja kuplat. Kovaan mallintamiseen verrattuna pehmeä mallinnusmenetelmä on yksinkertaisempi ja suorempi mallien poistamisessa ja tarjoaa laajemman valikoiman mallityyppejä.
Näistä menetelmistä saostusmenetelmä tuottaa huokoista alumiinioksidia alhaisin kustannuksin, mutta sen huokoskokoa ja jakautumista on vaikea hallita, mikä rajoittaa sen käyttöä huokoisen alumiinioksidin valmistuksessa, jolla on tietyt huokoskoot ja -jakaumat. Hydroterminen menetelmä on yksinkertainen käyttää, vaatii lyhyitä reaktioaikoja ja tarjoaa säädettävän huokoskoon ja jakauman, mutta sen haittoja ovat tuotteen morfologian hallinnan vaikeus ja korkeapaineisten olosuhteiden tarve. Sol-geelimenetelmä tuottaa huokoista alumiinioksidia, jolla on säädettävä huokoskoko ja -jakauma, suuri ominaispinta-ala ja korkea huokoisuus, mutta sen valmistusprosessi on suhteellisen hankala ja vaatii pitkiä reaktioaikoja. Kova mallinnusmenetelmä tarjoaa hallittavissa olevan huokoskoon ja tuotteen jakautumisen, mutta sen haittoja ovat mallinpoistovaiheiden tarve ja mallimateriaalien kierrätyksen vaikeus. Pehmeä mallinnusmenetelmä tuottaa huokoista alumiinioksidia, jolla on suhteellisen säännölliset kiderakenteet, toisiinsa yhteydessä olevat huokoskanavat, tasainen seinämän paksuus, uusiutuvuus ja hajoavuus, huokoskoon ja huokosmorfologian tarkka hallinta sekä hyvä stabiilisuus ja toistettavuus, joten se soveltuu laajamittaiseen tuotantoon.
Alumiinioksidin kidefaasit
Alumiinioksidi on edullinen ja laajalti käytetty epäorgaaninen materiaali, jolla on monimutkaiset rakenteet ja useita kidefaaseja, kuten -Al₂O3, -Al₂O3, -Al₂O3, δ-Al₂O3, θ{4}}Al₃ η-Al₂O3, κ-Al₂O3, χ-Al₂O3 ja ρ-Al₂O3.
Huokoinen alumiinioksidi on epäorgaaninen materiaali, jolla on erinomainen kemiallinen ja lämpöstabiilisuus. Se saadaan tyypillisesti lämpö-käsittelemällä alumiinihydroksidia tietyissä lämpötiloissa. Sen kiderakenne muuttuu säännöllisesti lämpökäsittelyn lämpötilan noustessa, ja eri kidefaaseissa on merkittäviä eroja fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa ja makroskooppisessa rakenteessa.
-Al₂O3
-Al₂O3:lla on trigonaalinen kidejärjestelmä, ja se tunnetaan myös nimellä korundi. Sillä on korkea hilaenergia ja se on stabiilin faasi kaikista alumiinioksidipolymorfeista. Näin ollen sillä on erinomaiset fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, kuten haponkestävyys, alkalinkestävyys, lämmönkestävyys, korkea kovuus ja korkea lujuus, ja sitä käytetään laajalti keramiikassa, pintaa suojaavissa pinnoitteissa, tulenkestävissä materiaaleissa, katalyyteissä ja katalyytin kantajissa, optisissa materiaaleissa ja muilla aloilla.
-Al₂O3
Huokoisen alumiinioksidin käytössä -Al2O3 "aktivoituna alumiinioksidina" on laajimmin käytetty faasi. Tällä faasilla ei ole ainoastaan hyvin-kehittyneet huokosrakenteet, hyvä mekaaninen lujuus ja sopivat happamat kohdat, vaan sillä on myös erinomainen peptointikyky happamissa olosuhteissa. Siksi se on välttämätön teollisissa prosesseissa, kuten öljynjalostuksessa ja Fischer-Tropsch-synteesissä, mikä tekee siitä erittäin arvokkaan ja korkean -arvon-lisäyksen kemiallisen perusmateriaalin.
Keskeisenä katalyytin tukiaineena -Al₂O3 vaikuttaa katalyyttisen reaktion suorituskykyyn ensisijaisesti rakenteellisten ominaisuuksiensa kahden näkökohdan kautta. Ensinnäkin tuen ja aktiivisten komponenttien välinen vuorovaikutusvoimakkuus vaikuttaa suoraan pinnalla olevien aktiivisten komponenttien dispersiotilaan ja elektronirakenteeseen. Toiseksi kantajan oma huokosrakenne määrää reaktanttien ja tuotteiden massansiirron ja diffuusiotehokkuuden. Yhdessä nämä kaksi tekijää määräävät katalyytin kokonaisreaktiotehokkuuden.
ρ-Al₂O₃
P Se on edistynyt sideaine, joka on kehitetty viimeisen vuosikymmenen aikana ja jota on käytetty laajasti erinomaisten ominaisuuksiensa vuoksi. Se tarjoaa erinomaisen korkean-lämpötilojen kestävyyden, korroosionkestävyyden ja tilavuusvakauden puhtaaseen kalsiumaluminaattisementtiin verrattuna, joten se on hyvä korvike jälkimmäiselle. Korkeissa lämpötiloissa se muuttuu -Al₂O₃:ksi. ρ-Al₂O₃:n lisääminen toimii sekä sideaineena että itse korkealaatuisena tulenkestävänä oksidina, jolla on ilmeisiä etuja.
δ-Al₂O3
δ-Al₂O3:lla on erityinen arvo adsorptioerotuksessa ja katalyytin valmistuksessa ainutlaatuisten pintaominaisuuksiensa ansiosta.
κ-Al₂O3
κ-Al₂O3 hienon raekoon ja tiivistetyn huokoskokojakauman ansiosta on löytänyt tärkeitä sovelluksia kehittyneissä tulenkestävissä materiaaleissa ja rakennekeramiikassa.
Lisäksi siirtymäalumiinioksidien joukossa η-Al2O3 ja -Al2O3 kuuluvat molemmat kuutiokiteiseen kidejärjestelmään ja niillä on samanlaiset huokosrakenneparametrit, mutta ensimmäisellä on suurempi pinnan Lewis-happokohtien tiheys, mikä osoittaa ylivoimaista katalyyttistä suorituskykyä happo-katalyyttisissä reaktioissa, kuten dimetyylidehydratoitumisreaktioissa.