Alumina

INTRODUCERE

Alumina (oxidul de aluminiu), cu formula sa moleculară Al2O3, este un material ceramic abundent, reprezentând aproximativ 20% din crusta Pământului. Aceasta ceramică are rezistență mecanică bună, este caracterizată de o duritate egală cu 9 pe scara Mohs și de un punct de topire ridicat (pt=2041°C) fiind stabilă din punct de vedere dimensional până șa temperatura de 1500°C.

Cele mai importante forme polimorfe ale aluminei sunt γ-〖Al〗_2 O_3, η-〖Al〗_2 O_3, α-〖Al〗_2 O_3 și γ-AlOOH și sunt utilizate ca adsorbanți, suporturi pentru catalizatori și catalizatori. Diferența dintre aceste faze poate fi explicată prin distribuția oxigenului în locurile interstițiale. Forma α-〖Al〗_2 O_3 este foarte stabilă datorită poziției selective a oxigenului în grupările octaedrice [AlO6]. Pentru fazele metastabile, oxigenul este dispus în grupări octaedrice. Corindonul (alumina) are o structură romboedrică în care ionii de oxigen formează o rețea hexagonală compactă, cu ioni de aluminiu ocupând 2 treimi din locurile interstițiale octaedrice. Proprietățile hidratului de alumină sunt date de fazele cristaline hidratate (Al2O3- H2O) și cele nehridratate (γ-〖Al〗_2 O_3, δ-〖Al〗_2 O_3, α-〖Al〗_2 O_3,θ-〖Al〗_2 O_3 , etc.). Acești factori structurali determină reactivitatea chimică a fazelor, schimbările în zona de suprafață, tranziția cristalină, rezistența și duritatea.

Suporturile ceramice au o compoziție complexă, componentele de bază sunt: o fază activă, un promotor și un suport. Un suport pentru catalizatori trebuie să fie stabil din punct de vedere termic și chimic, să prezinte rezistență mecanică bună și suprafață mare de contact într-un anumit interval de temperatură. Componentele din alumină de înaltă puritate au fost utilizate într-o gamă largă de aplicații industriale datorită stabilității sale chimice. Proprietățile aluminei precum, densitatea și porozitatea depind în mare măsură de corpul considerat și modalitatea de sinteză utilizată pentru fabricarea ceramicii, rata de încălzire este unul dintre cei mai importanți factori care influențează acest proces.[1]

În general, nanoparticulele de alumină sunt un oxid amfoteric și se găsesc în natură sub formă de minerale: corindon (Al2O3), diaspor (Al2O3- H2O), gibbsit (Al2O3- 3H2O) și ,cel mai frecvent întâlnit, bauxită care este o formă impură de gibbsit hexagonal.

Nanoparticulele de alumină pot fi preparate prin diferite metode printre care: plasmă cu arc electric, hidrotermală, sol-gel și precipitare. Nanoparticulele sun recuperate din materiale argiloase și din cenușă de cărbune prin metode eficiente de electroliză. Ele, nanoparticulele de alumină, sunt funcționalizate prin modificarea suprafeței și/ sau prin atașarea unor molecule de polimer pentru a le îmbunătăți performanța.[2]

Boemita este un oxihidroxid de aluminiu, una dintre formele polimorfe ale aluminelor monohidratate (Al2O3- H2O). Boemita prezintă o structură orto-rombică octaedrică deformată stratificată, cu ionul de aluminiu aproape de centrul său, unde gruparea octaedrică [AlO69-] împarte o muchie, iar ionii hidroxil țin straturile prin legături de hidrogen. Densitatea sa teoretică este de 3,01 g/cm3.[3]

SRUCTURA

Transformarea aluminiului format prin metoda sol-gel în α-〖Al〗_2 O_3 a produs un material mezoporos cu suprafața de 5,48 m2/g. Ceramica finală este caracterizată de o structură de microfire cu nanoporozitate interconectată. Tranzițiile dintre fazele aluminei au fost identificate prin diferite metode și au apărut la diferite etape. Astfel, la 400°C alumina amorfă este prezentă cu aluminiul având patru, cinci sau șase coordinări. Faza de tranziție pentru obținerea γ-〖Al〗_2 O_3este finalizată la 800°C iar la 1050°C începe tranziția în faza alfa. La 1500°C se identifică α-〖Al〗_2 O_3 pură. Trebuie menționat faptul că sinteza aluminei produse prin transformarea termică sol-gel a avut loc la temperaturi scăzute, fără utilizarea aditivilor. Caracteristicile observate în materialul sintetizat pot fi folosite pentru elaborarea suporturilor de catalizatori. În acest sens, materialul obținut prezintă avantajul costului suplimentar redus.[1]

O dată cu transformarea γ-〖Al〗_2 O_3 în alte structuri cristaline, precum α-〖Al〗_2 O_3, atât porozitatea cât și suprafața sunt diminuate, în timp ce dimensiunea porilor crește.

După cum se poate observa în Figura nr. 1, α-〖Al〗_2 O_3 este caracterizată de structuri cristaline hexagonale compacte conținând o matrice de atomi de oxigen cu ioni de Al distribuiți simetric între interstițiile octaedrice.

[1] J. H. Roque-Ruiz, E. A. Cabrera-Ontiveros, G. Gonzîlez-García, and S. Y. Reyes-López, “Thermal degradation of aluminum formate sol-gel; synthesis of α-alumina and characterization by 1H, 13C and 27Al MAS NMR and XRD spectroscopy,” Results in Physics, vol. 6, pp. 1096- 1102, Jan. 2016, doi: 10.1016/J.RINP.2016.11.052.

[2] S. Said, S. Mikhail, and M. Riad, “Recent processes for the production of alumina nano-particles,” Materials Science for Energy Technologies, vol. 3, pp. 344- 363, Jan. 2020, doi: 10.1016/J.MSET.2020.02.001.

[3] P. Rivero-Antúnez, R. Cano-Crespo, F. Sînchez-Bajo, A. Domínguez-Rodríguez, and V. Morales-Flórez, “Reactive SPS for sol- gel alumina samples: Structure, sintering behavior, and mechanical properties,” J Eur Ceram Soc, vol. 41, no. 11, pp. 5548- 5557, Sep. 2021, doi: 10.1016/J.JEURCERAMSOC.2021.04.060.

[4] L. Samain et al., “Structural analysis of highly porous γ-Al2O3,” Journal of Solid State Chemistry, vol. 217, pp. 1- 8, Sep. 2014, doi: 10.1016/J.JSSC.2014.05.004.

[5] M. Schöneborn, J. Werner, T. Harmening, and T. E. Weirich, “Advances in the understanding of mesoporous transition aluminas: Unveiling the correlation between morphology and thermostability,” Journal of Solid State Chemistry, vol. 308, p. 122906, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.JSSC.2022.122906.

[6] S. Said, S. Mikhail, and M. Riad, “Recent progress in preparations and applications of meso-porous alumina,” Materials Science for Energy Technologies, vol. 2, no. 2, pp. 288- 297, Aug. 2019, doi: 10.1016/J.MSET.2019.02.005.

[7] Y. Yang et al., “Thermodynamics of the decomposition of aluminum chloride hexahydrate to prepare alumina,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 15, pp. 6640- 6646, Nov. 2021, doi: 10.1016/J.JMRT.2021.11.099.

[8] F. Gao et al., “Fabrication of nano-layer-structure alumina powders from an alumina concentrate through an intensified Bayer process,” Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 175, p. 108907, May 2022, doi: 10.1016/J.CEP.2022.108907.

[9] D. F. Niero, O. R. K. Montedo, and A. M. Bernardin, “Synthesis and characterization of nano α-alumina by an inorganic sol- gel method,” Materials Science and Engineering: B, vol. 280, p. 115690, Jun. 2022, doi: 10.1016/J.MSEB.2022.115690.

[10] L. Martins, M. A. Alves Rosa, S. H. Pulcinelli, and C. v. Santilli, “Preparation of hierarchically structured porous aluminas by a dual soft template method,” Microporous and Mesoporous Materials, vol. 132, no. 1- 2, pp. 268- 275, Jul. 2010, doi: 10.1016/J.MICROMESO.2010.03.006.

[11] W. Lueangchaichaweng, B. Singh, D. Mandelli, W. A. Carvalho, S. Fiorilli, and P. P. Pescarmona, “High surface area, nanostructured boehmite and alumina catalysts: Synthesis and application in the sustainable epoxidation of alkenes,” Applied Catalysis A: General, vol. 571, pp. 180- 187, Feb. 2019, doi: 10.1016/J.APCATA.2018.12.017.

[12] M. J. Oliveira, A. V. Gomes, A. R. Pimenta, and A. B. H. da S. Figueiredo, “Alumina and low density polyethylene composite for ballistics applications,” Journal of Materials Research and Technology, vol. 14, pp. 1791- 1799, Sep. 2021, doi: 10.1016/J.JMRT.2021.07.069.

[13] Q. Wen et al., “Picosecond laser ablation of millimeter-wave subwavelength structures on alumina and sapphire,” Optics & Laser Technology, vol. 142, p. 107207, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.OPTLASTEC.2021.107207.

[14] Y.-A. Chen, K.-C. Chien, I.-T. Chen, and C.-H. Chang, “Sapphire nanophotonics: Fabrication challenges and optical properties,” Micro and Nano Engineering, vol. 14, p. 100115, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.MNE.2022.100115.

[15] E. P. Fernandes et al., “Efficient adsorption of dyes by γ-alumina synthesized from aluminum wastes: Kinetics, isotherms, thermodynamics and toxicity assessment,” Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 9, no. 5, p. 106198, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.JECE.2021.106198.