В своих наиболее ценных вариантах корунд образует рубины и сапфиры из-за следов хрома, железа или титана. Однако материаловедов он не так интересен как драгоценный камень. Поскольку корунд может почти конкурировать с алмазом по твердости, а также чрезвычайно устойчив к нагреванию и химическим веществам, корунд используется в катализе и для керамических имплантатов в стоматологии, протезов и режущих инструментов. Керамику можно было бы сделать еще более прочной, если бы ее производили из наночастиц корунда.
Такой производственный процесс также потребует меньше энергии. Наночастицы корунда могут также упростить конструкцию автомобильных катализаторов, каталитически активные компоненты которых в этом случае станут более стабильными. До сих пор автомобильная промышленность использовала менее стабильную форму оксида алюминия в сложном процессе.
Наночастицы корунда сделают некоторые реакции более эффективными
Корунд в форме наночастиц представляет большой интерес для химической промышленности. «Есть сообщения, что катализаторы с носителем из корунда более эффективно работают при производстве аммиака», – говорит Ферди Шут, директор Max-Planck-Institut fur Kohlenforschung. "В других каталитических процессах, таких как производство синтетического топлива, более высокая стабильность может иметь важное значение.«Форма корунда в виде наночастиц может найти множество применений в будущем, потому что теперь он легко доступен с помощью простого механохимического процесса, обнаруженного химиками Mulheim.
Исследователи могут получить порошок наночастиц корунда путем простого измельчения кусков бемита, оксигидроксида алюминия, содержащихся в часто встречающейся руде боксита, в шаровой мельнице в течение 3 часов с последующим их кратковременным нагреванием. До сих пор химики могли производить корунд из других оксидов или гидроксидов алюминия, только если они обжигали исходные материалы при температурах выше 1200 ° C или подвергали их давлению при более умеренных температурах 500 ° C в течение нескольких недель. Однако, особенно после высокотемпературной обработки, вместо наночастиц образовывались более крупные кристаллы.
«Мы случайно обнаружили, что наночастицы корунда производятся в шаровой мельнице», – говорит Ферди Шут. Его команда исследовала, работает ли каталитическая реакция в такой мельнице лучше, потому что катализатору всегда придается свежая поверхность, на которой реагенты могут встречаться.
Они использовали мягкий оксид алюминия (гамма-оксид алюминия), смешанный с частицами золота, в качестве катализатора и следили за процессом в шаровой мельнице с помощью различных аналитических методов. Выяснилось, что всего через несколько часов часть гамма-оксида алюминия превратилась в корунд.
Однако корунд, полученный таким образом из гамма-оксида алюминия, имел умеренную нанокристалличность. «Но это повысило наши ожидания, и затем мы систематически исследовали это и протестировали несколько вариантов гидроксидов алюминия и (оксида) алюминия в качестве исходных материалов. В конце концов, мы определили бемит как особенно интересный прекурсор из-за его структурной воды », – говорит Амол Амруте, один из ведущих ученых в этом проекте.
Потенциальные клиенты проявили интерес
Теперь химики могут объяснить, почему такой тривиальный процесс, как измельчение, открывает путь к минералу, который в противном случае можно было бы получить только в суровых условиях и уж точно не в форме наночастиц.
Удары, которые бемит-прекурсор испытывает в мельнице, обеспечивают именно ту механическую энергию, которая необходима для довольно сложного преобразования структуры бемита в корунд.
Исследователи Mulheim, специализирующиеся на разработке новых катализаторов, сейчас исследуют, как нанокорунд используется в качестве материала катализатора в различных реакциях (например,.грамм. в производстве синтетического топлива). «Мы не обязательно ожидаем совершенно иной реакции», – говорит Ферди Шут.
Однако, поскольку корунд намного более стабилен и в форме наночастиц может ускорять некоторые реакции даже в большей степени, чем ранее используемые формы оксида алюминия. Первые промышленные компании узнали о простом методе синтеза наночастиц корунда.
Потенциальные клиенты уже проявили интерес, и в настоящее время разрабатывается процесс производства большого количества наночастиц корунда.