En fantastisk simpel opskrift på korund i nanometerstørrelse

Næsten alle bruger aluminiumoxid i nanometer i disse dage-dette mineral, blandt andre, udgør skelettet af moderne katalysatorer i biler. Indtil nu, den praktiske produktion af nanocorundum med en tilstrækkelig høj porøsitet har ikke været mulig. Situationen har ændret sig radikalt med præsentationen af ​​en ny metode til produktion af nanocorundum, udviklet som en del af et tysk-polsk samarbejde mellem forskere fra Mülheim an der Ruhr og Krakow.

Høje temperaturer og tryk, processer, der varer i selv snesevis af dage-det er nogle aktuelle metoder til fremstilling af aluminiumoxid i nanometerstørrelse, et materiale af betydelig industriel betydning, og de kan næsten ikke kaldes ideelle. Selve produktet er også langt fra ideelt. I mellemtiden, forskere fra Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI Kofo) i Mülheim an der Ruhr (Tyskland) fandt en enkel proces til nanocorundumproduktion. Dets termodynamiske grundlag forklares af en innovativ teoretisk model udviklet af prof. Zbigniew Lodziana fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Cracow. Modellen antyder, at korund i nanometerstørrelse kan dannes under forhold, der er radikalt mere miljøvenlige. Succesen for den tysk-polske gruppe viste sig at være så betydelig, at den er blevet offentliggjort i Videnskab , en af ​​de mest respekterede videnskabelige tidsskrifter i verden.

"Corundum nanopartikler, fremstillet efter den metode, vi foreslår, er omkring 13 nanometer store og er kendetegnet ved betydelig porøsitet:et gram har et overfladeareal på ca. 140 m ² . Dette handler om en størrelsesorden højere end den værdi, der er typisk for nanocorundum produceret ved hjælp af i øjeblikket kendte teknologiske processer, "siger prof. Lodziana.

Korund, den mest stabile form af aluminiumoxid Al ₂ O ₃ (betegnet med det græske bogstav alfa), er et almindeligt mineral. På grund af dens hårdhed er det almindeligt anvendt, blandt andre, som slibemiddel. Bilkatalysatorer er en populær anvendelse til aluminiumoxid. Her, det fungerer som en porøs underuld for aktive overgangsmetalpartikler (f.eks. palladium), som er ansvarlige for at fjerne kulilte og nitrogenoxider fra udstødningsgasser. Stor, gennemsigtige korundkrystaller er sjældne, og de betragtes som ædelstene; afhængigt af deres tilsætningsstoffer, de får forskellige farver, f.eks. rød (rubiner) eller blå (safirer).

"Problemet med den enkle og effektive produktion af aluminiumoxid i nanometerstørrelse går virkelig ud på at fjerne vandmolekylerne, der dækker størstedelen af ​​aluminiumhydroxid. I øjeblikket intens varme og/eller højtryk bruges til dette formål. Desværre, under opvarmning vokser nanopartikler. Det betyder, at deres samlede overfladeareal falder, og derfor forringes materialets funktionelle egenskaber, "forklarer prof. Lodziana.

Porøse aluminiumoxider produceres i øjeblikket af det lettest tilgængelige aluminiumhydroxid. Dette hvide pulver, kaldet boehmite, skal udsættes for en temperatur på over 700 Kelvin ved et tryk på ca. 1200 atmosfærer. Disse betingelser skal opretholdes i mere end en måned. I den sidste fase, varer op til ti timer, temperaturen stiger til over 800 K. En anden klassisk produktionsmetode er opvarmning i et dusin timer til en temperatur på over 800 K, hvorefter temperaturen i yderligere et dusin timer hæves til endda over 1600 K.

Kaster lys over, at det er muligt at fjerne vandmolekyler fra boehmite ved hjælp af små mængder energi, blandt andre, i mekanokemiske reaktioner, var meget vigtigt at forstå, hvordan boehmite konverterer til nanocorundum.

Mens typiske kemiske reaktioner involverer opløsninger eller gasser, i mekanokemien foregår processerne mellem faste stoffer, normalt fremstillet i form af pulvere. Den energi, der er nødvendig for at udføre reaktionen her, er mekanisk energi, leveres under fræsning i mekaniske møller (nogle gange er selv slibning i hånden tilstrækkelig).

Under arbejdet med den nye metode, det blev demonstreret, både praktisk og teoretisk, at det er muligt at opnå korund i nanometerstørrelse, samtidig med at dens stabilitet og betydelige porøsitet bevares. Denne effekt blev opnået ved passende valg af driftsparametre for kuglemøllerne, hvor fræsningen fandt sted. Målet var at skabe en situation, hvor mængden af ​​energi, der lokalt leveres til systemet, overstiger energien til binding af vandmolekyler med boehmite, hvilket resulterer i deres frigivelse fra overfladen.

"På baggrund af tidligere, flertrinsmetoder, vores skiller sig ud ved sin ekstreme enkelhed:alt vi gør er at male et pulver i en kuglemølle i nogen tid. Vigtigere, processen finder sted ved stuetemperatur og kræver kun et par timer for at opnå termodynamisk stabile korundnanopartikler, "understreger prof. Lodziana.

Den præsenterede metode til fremstilling af nanocorundum reducerer ikke kun energi, men også de økonomiske omkostninger forbundet med produktion af korund-nanopartikler af høj kvalitet til et minimum.

Den teoretiske del af den beskrevne forskning, udført på Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi, blev finansieret af sine lovpligtige midler.