刚玉合成过程中的TEM测试人造刚玉的制造过程

氧化铝是一种高硬度的化合物，熔点为2054℃、沸点为2980℃，常用于制造耐火耐磨材料。工业氧化铝是由铝矾土和硬水铝石制备的，Al2O3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3 。
高表面积纳米颗粒形式的刚玉(α-Al203)有许多应用，例如可用于汽车尾气催化、α-Al2O3的存在使得氨合成的催化剂活性提高了3倍、陶瓷设备,包括牙科植入假体和需要高强度和韧性的高速切削工具。纳米颗粒的使用、刚玉前体等使得陶瓷产品在生产加工过程中减小烧结温度并且节省能源，具有高密度和韧性。
2019年10月25日，德国马克斯·普朗克研究所的Ferdi Schüth教授团队在国际顶级期刊《Science》在线发表题为“High-surface-area corundum by mechanochemically induced phase transformation of boehmite”的研究文章。该文章首次从热力学和人工合成领域开展研究，填补了之前侧重在理论研究、无实验研究的空白；首次以boehmite为原料采用机械化学反应制备得到刚玉(α-Al203)纳米粒子，粒径约13nm，比表面积约140m2g-1，首次超过了100m2g-1 。

文章插图
文章的创新点：刚玉(α-Al203)具有纳米结构，可用于多种用途。然而，由于其由立方致密氧化物形成的高活化能势垒及其成核的偶然性，极大地阻碍了纳米粒子(NPs)的生成。该团队使用了一种简单方法，以勃姆石（γ-AlOOH）为原材料，采用机械化学反应的方式合成纳米级的α-Al203 (粒径约13nm，表面积约140m2g-1) 。这种转变伴随着严重的微观结构重新排布，可能涉及作为中间产物的稀有矿物相、水铝石和硬铝石的形成。热力学计算表明，从稳定的勃姆石（γ-AlOOH）到刚玉(α-Al203)的这一转变是由研磨对表面能的影响所引起的。勃姆石（γ-AlOOH）对刚玉(α-Al203) 纳米粒子的生成和稳定起着至关重要的作用。
德国马克斯·普朗克研究所的Ferdi Schüth教授团队的这篇science研究成果主要讲述的是以普通的铝矿石（boehmite）为原材料，经过创新的机械化学反应的方法，制备得到刚玉(α-Al203)纳米粒子，这个转化过程需要经过测试手段证明转化的反应机理、转化后的纳米粒子的粒径范围以及各种材料的表面能量。因此，需要采用多种测试手法如：TEM、XRD、BET、表面张力测试等。德国马克斯·普朗克研究所的Ferdi Schüth教授团队的这篇Science研究成果，已经有公众号推送并详细介绍过了，顶刊Science发表刚玉合成新方法，比表面积首次超过140（
https://mp.weixin.qq.com/s/lhBJLKaQhA_TkTtf_z8b-Q）。本次着重介绍文中的测试方法——XRD和TEM 。

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样品在不同球磨时间后的XRD图
为了找到最佳的球磨时间，Ferdi Schüth教授团队使用了XRD方法测试了不同时间的球磨结果，从图中可以看出球磨时间分别为10、30、60、120、180、720分钟。XRD图结果表明经过约60分钟的球磨反应，铝矿石（boehmite）（γ-AlOOH）到刚玉(α-Al203)的转化已经开始。继续球磨，约在180min后，boehmite中的大部分转化为纹理状的刚玉，约占70%-80%；小部分转化成水铝石，约占20%-30% 。经过约720min的球磨反应，纯刚玉(α-Al203)基本形成，同时也表明这些中间产物都是可以转变成刚玉(α-Al203) 。这个结果表明相对铝矿石（boehmite）来说，这些中间相的转化是比较缓慢的，可能是因为它们的机械硬度。

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γ-AlOOH经过60min（C）、180min（D）球磨后的TEM图

刚玉合成过程中的TEM测试 人造刚玉的制造过程

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