Наноразмерный оксид алюминия

Наноразмерный оксид алюминия — соединение алюминия и кислорода, получаемое в виде сферических наночастиц, а также в виде ориентированных или неориентированных волокон.

Свойства наноразмерного оксида алюминия

Свойства итогового материала определяются как совокупность свойств массивного оксида алюминия и специфических свойств наноструктуры.

Свойства наноразмерных коллоидных частиц оксида алюминия:

  • Малый диаметр частиц/волокна (2-10 нм)
  • Высокая удельная поверхность (>100 м2/г)
  • Высокая дефектность поверхности материала и специфическая структура наночастиц (объём и величина пор, степень кристалличности, фазовый состав, структура и состав поверхности – возможность модификации)

Свойства наноразмерных волокон оксида алюминия:

  • Соотношение длина:диаметр порядка 20,000,000:1
  • Высокая степень ориентации волокон
  • Слабое взаимодействие волокон между собой
  • Отсутствие поверхностных пор
  • Высокая поверхностная концентрация ОН-групп

Способы получения

Порошки оксида алюминия нанометрового размера

1. Измельчение порошка оксида алюминия до частичек нанометрового уровня (например, 10-50 нм). Например, при помощи планетарной мельницы с использованием мелящих тел размером менее 0,1 мкм.

2. Разложение химически свеже-синтезированного AlOOH или Al(OH)3 до оксида алюминия в условиях быстрого достижения температуры разложения 175 °C и использования для этого давления 5 бар в течение тридцати минут. Чем скорее происходит достижение температуры разложения гидроксо-соединений алюминия, тем меньше получаемые частицы нанооксида по размеру.

Волокна оксида алюминия нанометрового размера

Окисление поверхности некоторых жидкометаллических сплавов приводит к образованию рыхлых или пористых 3D наноструктур. Впервые этот эффект наблюдался на системе Al-Hg и опубликован более 100 лет назад . Подобные волокна в природе не встречаются, и могут быть выращены только искусственным способом. В зависимости от метода синтеза могут быть получены различные наноструктуры, такие как аэрогель из оксигидроксидов алюминия (AlOOH или Al2O3*nH2O, где n=1-4, легко переходящих в оксид алюминия) или нано-волокно оксида алюминия (Al2O3). На данный момент основными способами получения являются:

1. Метод селективного окисления алюминия на поверхности расплавов Hg-Al или Ga-AI во влажной атмосфере при температуре от 20 до 70 °С (Метод ИФХЭ им. А.Н.Фрумкина РАН).

2. Жидкометаллическая технология синтеза наноструктурного аэрогеля AlOOH из расплавов Ga-Al, In-Al и Bi-Al (ГНИИ РФ ФЭИ имени А.И. Лейпунского, г.Обнинск).

3. Выращивание волокна нанооксида алюминия на поверхности расплава алюминия (Метод промышленного синтеза, разработан и запатентован компанией ANF Technology).

Применение

  • Адсорбент (для улавливания углеводородных примесей из воздуха; для извлечения фтора из различных сред (способность оксида алюминия хемосорбировать фтор-ионы используется для очистки вод с повышенным содержанием фтора; для улавливания паров HF из газов суперфосфатных и электролизных производств); для осветления растворов в сахарном производстве; для улавливания растворителей; для адсорбционной очистки масел (в первую очередь трансформаторных); адсорбент для газовой и жидкостной адсорбционной хроматографии (молекулярная адсорбция); для ионообменной и осадочно-сорбционной хроматографии из водных растворов (ионный обмен и осаждение); в качестве инертного носителя при жидкостной распределительной хроматографии)
  • Осушитель (для осушки газов (глубокая осушка до точки росы -60°С и ниже); при консервации приборов и оборудования, а также для таких систем, как дыхательные клапаны цистерн, трансформаторов и т.д.; для создания защитных атмосфер при длительном хранении разлагающихся от воздействия влаги фармацевтических и пищевых продуктов)
  • Сорбент ионов металлов из растворов их солей, например: CsNO3, AgNO3, Ba(NO3)2, Sr(NO3)2, Pb(NO3)2 и тд., с возможностью получения оксидов металлов на поверхности волокна при отжиге
  • Сорбент радионуклидов из сточных вод атомных электростанций
  • Инертный (армирующий) наполнитель
  • Керамика и композиты (в т.ч и металлокомпозиты) — высокая твёрдость, огнеупорность и антифрикционные свойства, изоляционные свойства. Известно применение в ряде таких изделий как горелки газоразрядных ламп, подложки интегральных схем, запорные элементах керамических трубопроводных кранов, протезы и т.д.
  • Абразив (в составле средств для сверхтонкой полировки)
  • Огнеупор (компонент для высокотемпературных термоизоляторов)

Помимо вышеперечисленных направлений, находит применение в качестве катализатора и носителя катализаторов. Наноразмерный оксид за счет малого диаметра частиц/волокна, высокой удельной поверхности и активности, связанной с дефектностью и специфической структурой наночастиц (объём и величина пор, степень кристалличности, фазовый состав, структура и состав поверхности) сильно улучшает каталитические свойства и увеличивает область применения массивного оксида алюминия в качестве катализатора.