بخشی از مقاله
چکیده
آلومینا به شکلها و فازهای مختلفی وجود دارد که مهمترین فاز آن گاما میباشد. گاما- آلومینا به خاطر بالا بودن پایداری فیزیکی و شیمیایی، ضریب کشسانی بالا، مقاومت فشاری زیاد، سختی و مقاومت بالا در مقابل سایش، همچنین ضریب هدایت حرارتی بالا و پایداری در مقابل شوکهای حرارتی در صنایعی همچنون سرامیکهای پیشرفته، کاتالیستها، پایه کاتالیستها و جاذبها دارای پتانسیل کاربردی بالایی است.
راهبردهایی زیادی برای ساخت و توسعه روشهای سنتز گاما -آلومینا بطور گستردهایی استفاده شده است. در این مقاله، دو نوع بوهمیت که یکی توسط عامل رسوب زای هیدروکسید سدیم و دیگری توسط هیدروکسید پتاسیم با استفاده از روش هیدروترمال سنتز شده بودند بعنوان پیش ماده برای سنتز نانوذرات گاما-آلومینا بکار گرفته شدند.
برای مقایسه نتایج بدست آمده از آنالیزهای XRD، FTIR، TEM و جذب-دفع نیتروژن استفاده گردید. نتایج تصاویر TEM نشان دادند که گاما-آلومینای سنتزی با استفاده از عامل رسوب-زای هیدروکسید پتاسیم دارای اندازه کوچکتری سنبت به نمونه دیگر میباشد . همچنین نتایج آنالیز جذب و دفع نیتروژن نشان دادند که سطح ویژه نانوذرات گاما -آلومینای سنتزی توسط هیدروکسید پتاسیم حدود %16 بیشتر از نمونه سنتز شده توسط هیدروکسید سدیم میباشد که دلیل این امر به کوچک بودن ذرات نمونه مذکور بر میگردد.
١- مقدمه
در سالهای اخیر مواد معدنی با شکلها و ساختارهای متفاوت که خواص آنها به شکل و اندازه ذرات بستگی دارد، مورد توجه محققین در این زمینه شده است.
روشهای مختلفی برای سنتز گاما-آلومینا که می تواند بعنوان بعنوان جاذب، فیلترها، کاتالیستها و پایه کاتالیستها بکار رود، استفاده شده است2]و.[1 آلومینا با ساختارهای متفاوت توسط سورفکتانتهای مختلف سنتز شده است
آقای سو و همکارانشان با کمک امواج مایکرویو یک ساختار مزوپروس-ماکروپروس از آلومینا را گزارش نمودند. آلومینا همچنین با استفاده از دی اتیل آلومینیوم آمید، استن و آب بصورت پروس سنتز گردید.
نانوساختارهای آلومینا بصورت غیر مستقیم از طریق مسیر هیدروترمال و در حضور سورفکتانتهای متفاوت سنتز شده است.
سنتز آلومینای با ساختارهای متفاوت نانو شامل نانوتیوبها[8]، نانوفیبرها[9]، نانومیلهها[10]، نانوگلشکلها[11] و ساختارهای دیگر[12] سنتز شدهاند. نانوذرات کروی توخالی بعنوان یک کلاس مهم مواد بخاطر پتانسیلهای وسیع کاربردی مانند ذخیرهسازی، حمل و نقل و کاتالیستها ارائه شده اند.
اگرچه تاکنون روشهای زیادی برای سنتز آلومینا با شکلهای مختلف بکار برده شده است که این روشها شامل روشهای مایع-بخار-جامد، رسوبگیری بخار شیمیایی ، تبخیرسازی حرارتی، روشهای فاز-محلول، روش سل-ژل و روشهای حرارتی میباشند
یکی از مرسوم ترین روشهای تولید گاما-آلومینا استفاده از هیدروکسیدها - هیدروکسید آلومینیوم - و اکسید-هیدروکسدهای مانند بوهمیت بعنوان پیش ماده میباشد که در مورد روش اخیر از عملیات حرارتی بوهمیت در دمایی حدود 550 درجه سانتی گراد با نرخ حرارتی مناسب و مدت زمان کافی به فاز گاما-آلومینا تبدیل می-شود.
در میان انواع شکلهای گاما-آلومینا که تا کنون توسط محقیقن سنتز شده است، از بوهمیتی که توسط روش هیدروترمال بدست آمده، استفاده نشده است. در این مقاله از بوهمیت که توسط روش هیدروترمال و در شرایط بازی - pH=10 - سنتز شده است و تاثیر دو نوع راسب استفاده شده در روش هیدروترمال برای تولید نانوذرات گاما-آلومینا بکار رفته است که تا کنون در هیچ مقالهای گزارش نشده است.
٢- مواد و روش سنتز
نیترات آلومینیوم Al - NOR3R - R3*R9HR2RO - با خلوص - %99 بعنوان پیش ماده، هیدروکسید سدیم NaOH - با خلوص - %99/99 و هیدروکسید پتاسیم KOH - با خلوص - %99/99 بعنوان عوامل رسوب زا که از شرکت اسپانیایی Scharlau برای سنتز پیش ماده بوهمیت که برای سنتز نانوذرات گاما-آلومینا استفاده میشوند، بکار رفتهاند.
سنتز در دو مرحله - الف - سنتز ذرات بوهمیت با استفاده از روش هیدروترمال و - ب - سنتز نانوذرات گاما آلومینا با استفاده از بوهمیت سنتز شده از مرحله - الف - ، که مرحله - ب - با استفاده از عملیات حرارتی بر روی بوهمیت در دمای 600 œC و به مدت 5 ساعت انجام گرفت. مراحل جزء به جزء این روش در شکل1 نشان داده شده است. توجه شود که نمونه یک بار توسط هیدروکسید سدیم - الف - و یک باز نیز توسط هیدروکسید پتاسیم - ب - تهیه شده است.
الف - سنتز نانوذرات بوهمیت با استفاده از روش هیدروترمال
40cc محلول 0/4 مولار نیترات آلومینیوم محلول 2 مولار هیدروکسید پتاسیم و یا هیدروکسید سدیم تیتر نمودن محلول نیترات آلومینیوم با محلول هیدروکسید پتاسیم یا هیدروکسید سدیم قطره قطره تا رسیدن به pH برابر 10 قرار دادن هر کدام از محلولهای شیری رنگ حاصل در داخل یک اتوکلاو با حجم 100cc ایجاد شرایط هیدروترمال در دمای 200 œC به مدت 24 ساعت سردن نمودن اتوکلاو و خارج کردن محلول سوسپانسیون شیری رنگ سانتریفیوژ نمودن محلول شیری رنگ برای دستیابی به رسوب شستن رسوب با آب مقطر چند مرحله و ساتریفیوژ نمودن آن خشک نمودن محصول حاصل در دمای 60 œC به مدت 24 ساعت
ب - سنتز نانوذرات گاما-آلومینا
عملیات حرارتی بر روی محصول حاصل در دمای 600 œC به مدت 5 ساعت برای دستیابی به نانو پولکهای گاما-آلومینا
شکل :1 فلوچارت سنتز نانوذرات گاما-آلومینا.
برای شناسایی فازها و تعیین مشخصات کریستالوگرافی نانوذرات گاما-آلومینای سنتزشده، آنالیز XRD انجام گرفته است. برای آنالیز پراش XRD از یک دستگاه پراشسنج B8 ADVANCE, BRUKER - ساخت آلمان - با مولد آند دوار و آشکار ساز تکفام با استفاده از اشعه &X. و طول موج 1/54 آنگستروم استفاده شده است.
آنالیز FTIR از یک دستگاه طیف سنج مدل RAYLEIGH- WQF-510 FTIR با 15 بار اسکن برای آنالیز هر یک از نمونهها و در محدوده طول موج 400 - 4000 cmP-1P مورد استفاده قرار گرفته است.
مشاهدهی مورفولوژی نانوذرات گاما-آلومینا و اندازهی ذرات، از آشکار سازی دینامیک پراکندگی نور با استفاده از FESEM - میکروسکوپ الکترونی روبشی - مدل HITACHI S-4160 - Vacc=25 kv - بهره گرفته شده است و همچنین از دستگاه TEM مدل PHILIPS CM30 با بزرگ نمایی 250 Kv نیز استفاده شده است. بدست آوردن منحنیهای جذب و دفع، سطح ویژه، حجم حفرات - pore - volume و قطر حفرات - pore diameter - نانوذرات گاما -آلومینا با استفاده از آنالیز جذب و دفع نیتروژن بود که برای این کار از دستگاه BEL SORP - MINI II-310 از شرکت BEL ژاپن استفاده شد.
٣- نتایج و بحث
برای شناسایی ترکیب نانوذرات گاما- آلومینا بدست آمده، از آنالیز پراش XRD استفاده شد. شکل2 الگوهای XRD نمونههایی که با استفاده از عامل های رسوب ساز هیدروکسید سدیم - الف - و هیدروکسید پتاسیم - ب - که توسط پیش ماده بوهمیت و در شرایط ذکر شده سنتز شده اند را نشان می دهد. مهمترین پیکها در الگوهای نشان داده شده مربوط به 2های برابر 32، 37 ، 39، 45 ، 60 و 66 می باشند. هر دو پیک پراش نمونهها به شکل مکعبی - Cubic - میباشند و با نمونه استاندارد - JCPDS PDF No. - 00-029-0063 با پارامترهای کریستالوگرافی - a= 7.924 Å, b= 7.924 - Å, c= 7.924 Å کاملاً مطابقت دارند و هیچ پیکی که نشان از ناخالصی-های دیگر باشد در الگوها مشاهده نمیگردد.
پیکهای تیز، دارای عرض کم ﻭ بلند نشان از این است که فازهای تشکیل شده بصورت بلورین و کریستانیلیته میباشند که با استفاده از محاسبات شررر اندازه کریستالینیته های نمونه های - الف - و - ب - به ترتیب برابر 20 و 14 نانومتر میباشند که توسط بلند ترین پیک یعنی پیک زاویه 2 برابر 66 محاسبه شده است. از روی الگوهای شکل2 نیز انتظار می رفت که اندازه کریستالهای نمونه - ب - کوچکتر از نمونه - الف - باشد چون شدت پیک در نمونه - ب - مقداری بلندتر ﻭ دارای پهنای کمتری میباشد.
جهت تعیین ساختار گروههای عاملی نانوذرات گاما-آلومینا، از آنالیز FTIR کمک گرفته شد و آنالیزها در محدوده طول موجهای400 – 4000cmP-1P بررسی شدند. برای آنالیز هر نمونه 15 بار اسکن انجام شده است و در نهایت الگوها، ذخیره گردیده است . شکل3 الگوهای FTIR نانوذرات گاما-آلومینا سنتز ی در pH برابر 10 که توسط راسبهای هیدروکسید سدیم - الف - و هیدروکسید پتاسیم - ب - سنتز شده اند را نشان می دهد. در هر دو نمونه سنتز شده در طول موجهای 550cmP-1P ، 820، 1640، 975 و 3450 پیکهایی ظاهر میشوند و نشان می دهد هر دو نمونه از لحاظ شدت و نوع پیکها مشابه می باشند.
شکل :2 الگوهای XRD نانوذرات گاما-آلومینا سنتز شده با استفاده از عامل رسوب ساز هیدروکسید سدیم - الف - و هیدروکسد پتاسیم - ب - .
شکل :3 الگوهای FT –IR نانوذرات گاما-آلومینا سنتز شده با استفاده از عامل رسوب ساز هیدروکسید سدیم - الف - و هیدروکسد پتاسیم - ب - .
باتوجه به شکل3 ، پیکهای طول موجهای 550cmP-1P ، 820 مربوط به فاز گاماآلومینا- و مخصوصاً AlOR6R میباشند. پیک مربوط به820 cmP-1P ممکن است مربوط به ارتعاشات Al-O در ساختمان گاما-آلومینا باشند. پیک پهن حدود 3450 و پیک 1640 cmP-1P مربوط به ارتعاشات آب جذب شده بر وری گاما -آلومینا می باشد. هیچ پیکی در 1380 cmP-1P مشاهده نشده است که نشان می دهد گاما-آلومینای تولیدی بدون یونهای NOR3RP-1P می باشند
