Наноразмерный оксид алюминия

Наноразмерный оксид алюминия (англ. nanosized aluminium oxide) — соединение алюминия и кислорода, получаемое в виде сферических (или близких к сферическим) наночастиц, а также в виде ориентированных или неориентированных волокон.

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

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.

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 ^[1]. 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]
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).^[3]

• 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 т. д., 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 составе 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.

1. Wislicenus, H. Zeitschrift für chemie und industrie der kolloide Kolloid-Z 2 (1908): XI-XX.
2. Vignes, J-L. Mazerolle, L., Michel, D. Key Engineering Materials 132-136 (1997): 432 – 435.
3. Zhu, Huai Yong, James D. Riches, and John C. Barry. γ-alumina nanofibers prepared from aluminum hydrate with poly (ethylene oxide) surfactant // Chemistry of Materials 14.5 (2002): 2086-2093
4. Azad, Abdul-Majeed. Fabrication of transparent alumina (Al2O3) nanofibers by electrospinning // Materials Science and Engineering: A 435 (2006): 468-473.
5. Teoh, Geik Ling, Kong Yong Liew, and Wan AK Mahmood. Synthesis and characterization of sol–gel alumina nanofibers // Journal of Sol-Gel Science and Technology 44.3 (2007): 177-186.
6. Петрова Е. В., Дресвянников А. Ф., Цыганова М. А., Губайдуллина А. М., Власов В. В., Исламова Г. Г. Наноразмерные частицы гидроксидов и оксидов алюминия, полученные электрохимическим и химическим способами // Вестник Казанского технологического университета. 2008. (дата обращения: 10.04.2017).  (неопр.)

• Оксид алюминия
• Электрокорунд
• Боксит
• Корунд

Свойства и способы применения нановолокон оксида алюминия