Herstellung von Aluminiumoxid-Nanostäben aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm

Hintergrund

Niedrigdimensionales Nano-Aluminiumoxid, wie Aluminiumoxid-Nanofasern [1,2,3] und Aluminiumoxid-Nanostäbe [4], haben überlegene Eigenschaften von hoher Festigkeit, hohem Elastizitätsmodul, chemischer Stabilität, guter Wärmeisolationsleistung und geringer Wärmeleitfähigkeit [5, 6,7,8,9], daher wurde es in verschiedenen Bereichen weit verbreitet eingesetzt, wie z. 11,12,13,14,15]. Hohe Produktionskosten haben jedoch seine Anwendung eingeschränkt. Einige Autoren haben erfolgreich über Synthesemethoden von niederdimensionalem Nano-Aluminiumoxid berichtet, hauptsächlich einschließlich der Festphasenmethode, der Dampfphasenmethode [16] und der Flüssigphasenmethode [17, 18]. Unter diesen wird das Flüssigphasenverfahren wegen seiner milden Reaktionsbedingungen, seiner homogenen Produkte und seiner geringen Herstellungskosten weit verbreitet. Es gab viele Berichte über die Herstellung von Nano-Aluminiumoxid durch Sol-Gel-Methode [5, 19, 20, 21], Mikroemulsionsmethode [22], Hydrothermalmethode [23], Präzipitationsmethode [23], chemische Gasphasenabscheidung [16], und Elektrospinnen [1, 3, 24, 25]. Die Fällungsmethode ist jedoch aufgrund ihres geringen Energieverbrauchs, der Homogenität des Produkts und der kontrollierbaren Größe und Form für Labore und Industrie geeignet.

Der chromhaltige Aluminiumoxidschlamm ist eine Art gefährlicher fester Abfall, der bei der Herstellung von Chromprodukten durch ein kalziumfreies Röstverfahren anfällt. Aus jeder Tonne Chromprodukt entstehen 7000 Kilogramm des chromhaltigen Tonerdeschlamms. Es besteht zu 55 ~ 65% aus Al₂ O₃ , 7 ~ 13% Chrom und wenige Verbindungen von Silizium, Eisen, Magnesium und Natrium. Die Komponenten des chromhaltigen Aluminiumoxidschlamms sind in Tabelle 1 aufgeführt und werden vom Hersteller (CITIC Jinzhou Metal Co., Ltd., China) bereitgestellt.

Als Hauptgefährdungsstoff liegt Chrom in Form von Cr(III) oder Cr(VI) im chromhaltigen Tonerdeschlamm vor, wobei Cr(VI) aufgrund seiner Kanzerogenität als dominierender Schadstoff gilt [26]. Gegenwärtig wird die Lösungsverschmutzung des chromhaltigen Aluminiumoxidschlamms hauptsächlich entgiftet und verwertet. Ersteres wandelt Cr(VI) in Cr(III) mit geringer Toxizität um und lagert es als Abfallrückstand ein. Zhang Dalei [27] bemerkte eine Pyrolysemethode zur Umwandlung von Cr(VI) in Cr(III) unter Verwendung von Stroh. Duan Suhua [28] wies darauf hin, dass die chromhaltige Schlacke mit Industriealkohol behandelt werden könnte. Die oben genannten Methoden beanspruchen jedoch nicht nur Land, sondern verursachen auch eine große Ressourcenverschwendung. Außerdem kann die Sekundärverschmutzung unerwartet auftreten. Das letztere Verfahren besteht darin, die nützlichen Bestandteile des chromhaltigen Aluminiumoxidschlamms abzutrennen und zu verwenden. Xue Wendong [29] berichtete, dass der chromhaltige Aluminiumoxidschlamm zur Herstellung von feuerfestem Material verwendet werden könnte. Das obige Verfahren kann jedoch aufgrund seines geringen Mehrwerts eingeschränkt sein. Folglich sollten einige neue Methoden vorgeschlagen werden, um die Verschmutzung zu beseitigen und eine umfassende Verwertung des chromhaltigen Tonerdeschlamms zu fördern, die nicht nur Umweltprobleme lösen, sondern auch großen wirtschaftlichen Nutzen bringen können.

In dieser Veröffentlichung werden Aluminiumoxid-Nanostäbe aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm durch das Fällungs-Kalzinierungs-Verfahren hergestellt. Um den Einfluss des einfach dotierten Ions auf die Aluminiumoxid-Nanostäbchen zu erforschen, werden die Aluminiumoxid-Nanostäbchen mit nicht- oder einfach dotierten Ionen hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse werden technische Unterstützung bei der Beseitigung der Umweltverschmutzung und der Förderung einer umfassenden Verwertung des chromhaltigen Tonerdeschlamms bieten.

Methoden

Materialien

Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien (z. B. Aluminiumsulfatoctadecahydrat, Chromsulfat, Eisen(III)-sulfat, Magnesiumsulfat, Natriumhydroxid, Schwefelsäure und Natriumdodecylbenzolsulfonat) waren analytisch reine Chemikalien. Der chromhaltige Aluminiumoxidschlamm wurde von CITIC Jinzhou Metal Co., Ltd. (China) bereitgestellt. Alle Lösungen wurden mit entionisiertem Wasser hergestellt.

Behandlung des chromhaltigen Tonerdeschlamms

Zunächst wurde der chromhaltige Tonerdeschlamm gewaschen und mit entionisiertem Wasser im Fest-Flüssig-Verhältnis von 1:5 (g/ml) filtriert. Dadurch werden die meisten Cr ⁶⁺ Verbindungen wurden aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm abgetrennt. Dann wurde der Filterkuchen mit Schwefelsäure im Fest-Flüssig-Verhältnis von 1:3 (g/ml) gelöst und dann die H₂ O₂ wurde verwendet, um das restliche Cr ⁶⁺ . zu transformieren bis Cr ³⁺ . Schließlich wurde die chromhaltige Aluminiumoxidschlamm-Säurelösung erfolgreich erhalten und die Komponenten wurden durch chemische Titration und Spektrophotometer für sichtbares Licht (VIS, 721N, Varian, Amerika) analysiert, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Synthese von Aluminiumoxid-Nanostäbchen

Zwei Mol pro Liter NaOH-Lösung und Dodecylbenzolsulfonat-Lösung wurden langsam zu 0,25 Mol/L Al₂ . gegeben (SO₄ )₃ Lösung unter magnetischem Rühren bei 85 °C und der pH-Wert der gemischten Lösung wurde mit NaOH oder H₂ . auf 9,0 eingestellt SO₄ Lösung. Nach 5 h Rühren und 20 h Altern wurden die Niederschläge abgetrennt und mehrmals mit entionisiertem Wasser und Ethylalkohol gewaschen. Anschließend wurden die Proben 15 h bei 40 °C vakuumgetrocknet und anschließend die Vorstufen hergestellt. Schließlich wurden die Proben bei 250 °C für 1 h, 400 °C für 1 h, 770 °C für 1 h, 900 °C für 1 h und 1050 °C für 2 h kontinuierlich kalziniert, und dann wurden die Proben gesammelt für den Einsatz. Das undotierte Aluminiumoxid wurde aus reinem Al₂ . hergestellt (SO₄ )₃ Lösung, und die ionendotierten Proben wurden nach dem gleichen Verfahren wie oben hergestellt. In der Zwischenzeit wurden die Chlorate von Cr, Fe und Mg in das Al₂ . zugegeben (SO₄ )₃ eine Lösung gemäß dem Gehalt an Dotierelement in dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm (Tabelle 2) und das Cr-dotierte, Fe-dotierte und Mg-dotierte Aluminiumoxid wurden hergestellt. Unter Verwendung der chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm-Säurelösung als Rohmaterial wurde das Aluminiumoxid benannt, das aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurde

Charakterisierung von Nano-Aluminiumoxid-Stäbchen

Die kristallinen Phasen der Proben wurden durch Röntgenpulverbeugung (XRD) unter Verwendung eines D/MAX-RB-Röntgendiffraktometers (Rigaku, Japan) mit Cu-K-Strahlung im 2θ-Bereich von 10°–70° bei einem Scan charakterisiert Geschwindigkeit von 2°/min. Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FT-IR) der Proben wurden mit dem Scimitar 2000 Near FT-IR Spectrometer (Thermo Electron, USA) charakterisiert und die Spektren wurden im Bereich von 4000–400 cm ⁻¹ . Die thermische Stabilität der Vorstufe wurde mit einem thermogravimetrischen Analysator (TG-DSC, STA449F3, NETZSCH, Deutschland) mit einer Flussrate von 30 ml/min in Luftatmosphäre und einer Temperatur von 15–1200 °C mit einer Heizrate von 10 ° . untersucht C/min. Die Morphologien, Kristallstruktur und Elementverteilung der Proben wurden durch Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskopie (FETEM, Jem-2100F, JEOL, Japan) untersucht. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Spektren der Proben wurden auf einem XPS (ESCAMABMKLL, VG, UK) aufgenommen, das mit einem hemisphärischen Elektronenanalysator und einem Al Kα . ausgestattet war Röntgenquelle.

Ergebnisse und Diskussion

XRD-Charakterisierung der Aluminiumoxid-Nanostäbe

XRD-Muster wurden aufgenommen, um die Kristallstruktur der Proben zu bestätigen, wie in Abb. 1 gezeigt. Für die undotierten Aluminiumoxid-Nanostäbchen zeigen die XRD-Ergebnisse die Existenz verschiedener Aluminiumoxid-Kristallstrukturen, einschließlich Korund (α -Al₂ O₃ , syn) (JCPDS Nr. 46-1212) und Aluminiumoxid (θ -Al₂ O₃ , JCPDS Nr. 35-0121) und die Beugungspeaks von θ -Al₂ O₃ sind schwächer (Abb. 1 (a)). Im Allgemeinen wird das Aluminiumoxid vom Übergangszustand θ . umgewandelt -Al₂ O₃ in den stationären Zustand α -Al₂ O₃ bei 1000 ~ 1200 °C. Verglichen mit der undotierten Probe haben Cr-dotierte Aluminiumoxid-Nanostäbe relativ stärkere Peaks von θ -Al₂ O₃ und relativ schwächere Peaks von α -Al₂ O₃ (Abb. 1 (b)). Dies bedeutet, dass der Kristallübergang durch das dotierte Cr im Kalzinierungsprozess eingeschränkt wird, also weniger θ -Al₂ O₃ wird in α . umgewandelt -Al₂ O₃ nach dem Kalzinieren bei 1050 °C. Aus Abb. 1 (c) ist ersichtlich, dass die Peaks von α -Al₂ O₃ sind stärker und schärfer als die in (a) und (b), was auf eine größere Kristallgröße und bessere Kristallinität schließen lässt. Inzwischen sind die Gipfel von θ -Al₂ O₃ sind noch schwächer, was darauf hindeutet, dass der Kristallübergang durch das dotierte Fe erleichtert wird. Es kann daran liegen, dass mehr θ -Al₂ O₃ wird in α . umgewandelt -Al₂ O₃ nach dem Kalzinieren. Abbildung 1 (d) zeigt, dass die Mg-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäbchen relativ stärkere und schärfere Peaks von α . aufweisen -Al₂ O₃ und relativ schwächere Peaks von θ -Al₂ O₃ . Es wird vorgeschlagen, dass die Probe mehr α . enthält -Al₂ O₃ und weniger θ -Al₂ O₃ , was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass das dotierte Mg den Kristallübergang von Aluminiumoxid im Kalzinierungsprozess fördert. Für die aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm hergestellten Aluminiumoxid-Nanostäbe sind die Peaks von α -Al₂ O₃ fast verschwinden, während die Spitzen von θ -Al₂ O₃ stärker, aber nicht scharf genug werden (Abb. 1 (e)). Es wird angezeigt, dass die θ -Al₂ O₃ hat eine schlechte Kristallinität und eine kleinere Kristallgröße. Dies könnte daran liegen, dass mehr Verunreinigungselemente des chromhaltigen Aluminiumoxidschlamms in das Aluminiumoxid dotiert sind und der Kristallübergang des Aluminiumoxids beim Kalzinierungsverfahren eingeschränkt ist. Also, die θ -Al₂ O₃ wird selten in α . umgewandelt -Al₂ O₃ .

XRD-Muster von Aluminiumoxid-Nanostäben, die mit verschiedenen Ionen dotiert sind:a undotiertes Aluminiumoxid, b Cr-dotiertes Aluminiumoxid, c Fe-dotiertes Aluminiumoxid, d Mg-dotiertes Aluminiumoxid und e das aus dem chromhaltigen Tonerdeschlamm hergestellte Aluminiumoxid

FT-IR-Spektren der Aluminiumoxid-Nanostäbe

FT-IR-Spektren von Aluminiumoxid-Nanostäbchen im Bereich von 4000–400 cm ⁻¹ sind in Abb. 2 [27] dargestellt. Die Absorptionspeaks bei 3500–3300 und 1635 cm ⁻¹ die in allen Spektren auftreten, werden der Streckschwingung der nicht-chemischen Bindungsassoziation von OH-Gruppen bzw. H-OH-Biegeschwingungen zugeschrieben, was darauf hinweist, dass Porenwasser und adsorbiertes Wasser in den Proben vorhanden sind [30]. Die Spitzen bei 2360 cm ⁻¹ werden auf das Vorhandensein von Kohlendioxid zurückgeführt. Abbildung 2 (2) zeigt den Fingerabdruckbereich der FT-IR-Spektren der Proben. Wie in Abb. 2 (2a) gezeigt, sind für die undotierte Probe die Peaks bei 829, 589 und 449 cm ⁻¹ werden AlO₆ . zugeschrieben Schwingungen, die auf die Bildung von α . hinweisen -Al₂ O₃ [1]. In der Zwischenzeit die Spitzen bei 762 cm ⁻¹ werden der Biegeschwingung von Al-O-Al zugeschrieben, und die bei 663 und 488 cm ⁻¹ werden den Streckschwingungen bzw. Biegeschwingungen von Al–O zugeschrieben, was auf die Bildung von θ . hinweist -Al₂ O₃ . Abbildung 2 (2b) zeigt, dass die Peaks von α -Al₂ O₃ sind schwächer als die in Abb. 2(2a), was darauf hinweist, dass das Cr-dotierte die Bildung von α . verhindert -Al₂ O₃ im Kalzinierungsprozess. Für das Fe- und Mg-dotierte Aluminiumoxid sind die Peaks von θ -Al₂ O₃ werden schwächer und die Spitzen von α -Al₂ O₃ sehr wenig ändern (Abb. 2 (2c,d)). Im Vergleich zu Abb. 2(2a) sind die Peaks leicht rot- oder blauverschoben, was zeigt, dass das dotierte Fe und Mg dem Wachstum von α . zugute kommt -Al₂ O₃ und wandeln die chemische Bindung der Aluminiumoxid-Nanostäbchen geringfügig um. Abb. 2 (2e) ist der Fingerabdruckbereich von FT-IR-Spektren der Aluminiumoxid-Nanostäbe, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurden. Die Spitzen unter 500 cm ⁻¹ verschwinden, was darauf hinweist, dass es kein α . gibt -Al₂ O₃ bei den Proben. Darüber hinaus sind die Spitzen bei 900–500 cm ⁻¹ dispergiert werden, was auf Schwingungen von M–O und M–O–M zurückzuführen sein könnte (M ist Al oder das dotierte Element von Aluminiumoxid aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm). Die obigen Ergebnisse stimmen mit den XRD-Ergebnissen überein.

FT-IR-Spektren von Nano-Aluminiumoxid-Stäbchen, die mit verschiedenen Ionen dotiert sind:a undotiertes Aluminiumoxid, b Cr-dotiertes Aluminiumoxid, c Fe-dotiertes Aluminiumoxid, d Mg-dotiertes Aluminiumoxid und e das aus dem chromhaltigen Tonerdeschlamm hergestellte Aluminiumoxid

TG-DSC von Aluminiumoxid-Nanostäben

Die Kurven des thermogravimetrischen Analysators (TG) und der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) der Aluminiumoxid-Nanostäbchen-Vorläufer sind in Abb. 3 gezeigt. Die XRD-Ergebnisse zeigen, dass es sich bei dem Aluminiumoxid-Nanostäbchen-Vorläufer um AlO(OH) (JCPDS Nr. 49–0133) handelt. Wie in Abb. 3a gezeigt, sind in der undotierten Probe in der Luft nur drei Stufen zu sehen. Unterhalb von 250 °C sind etwa 40 % Massenverlust auf der TG-Kurve und entsprechende endotherme Peaks bei 50 und 150 °C auf der DSC-Kurve mit der Feuchtigkeitsverdampfung und der Desorption von adsorbiertem Wasser verbunden. Die zweite Stufe liegt zwischen 250 und 730 °C, mit einem Gesamtmassenverlust von etwa 35 % und zwei endothermen Peaks bei 320 und 694 °C. Bei einer Temperatur von 320 °C ist der endotherme Peak auf die Umwandlung von AlO(OH) in amorphes Al₂ . zurückzuführen O₃ . Unterdessen wird der schwache endotherme Peak bei 694 °C der Umwandlung von amorphem Al₂ . zugeschrieben O₃ zu θ -Al₂ O₃ . In der dritten Stufe oberhalb von 730 °C gibt es einen geringen Massenverlust und einen starken endothermen Peak bei 980 °C, der hauptsächlich auf die Umwandlung von θ . zurückzuführen ist -Al₂ O₃ zu α -Al₂ O₃ . Im Vergleich zur undotierten Probe verschiebt sich durch die Metallionendotierung die endothermen Peaks. Abbildung 3b–e zeigt, dass die endothermen Peaks zu höheren Temperaturen verschoben und verbreitert wurden. Es kann daran liegen, dass die dotierten Ionen den Verlauf der Phasenstrukturumwandlung ändern, also der Umwandlungsgrad von θ -Al₂ O₃ zu α -Al₂ O₃ ist bei jeder Probe anders. Die Ergebnisse stimmen mit XRD und FT-IR überein.

TG und DSC der mit verschiedenen Ionen dotierten Nano-Aluminiumoxid-Stäbchen:a undotiertes Aluminiumoxid, b Cr-dotiertes Aluminiumoxid, c Fe-dotiertes Aluminiumoxid, d Mg-dotiertes Aluminiumoxid und e Das aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellte Aluminiumoxid

TEM-, SAED- und HRTEM-Bilder von Aluminiumoxid-Nanostäben

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der TEM, der Selected Area Electron Diffraktion (SAED) und der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM). Wie in Abb. 4 (a1–a3) gezeigt, handelt es sich bei dem undotierten Aluminiumoxid um dispersive Nanostäbchen mit einem Durchmesser von 4–6 nm und einer Länge von 20–60 nm. Die Ebenen (215), (006), (21 \( \overline{1} \)) und (20 \( \overline{4} \)) entsprechen dagegen θ -Al₂ O₃ (JCPDS Nr. 35-0121) und die Ebenen (300), (214), (113) und (104) sind mit α . verbunden -Al₂ O₃ (JCPDS Nr. 46-1212). Darüber hinaus konnte der beobachtete interplanare Abstand von 0,273 und 0,284 nm den (20 \( \overline{2} \)) und (004)-Ebenen von θ . zugeordnet werden -Al₂ O₃ , und die Gitterabstände von 0,255 und 0,348 nm könnten den (104)- und (012)-Ebenen von α . entsprechen -Al₂ O₃ . Im Vergleich zur undotierten Probe handelt es sich bei der Cr-dotierten Probe um Nanostäbe mit einem Durchmesser von 4–6 nm und einer Länge von 50–120 nm (Abb. 4 (b1)). Abbildung 4 (b2) zeigt, dass die Ebenen (215), (21 \( \overline{1} \)), (20 \( \overline{2} \)) und (111) übereinstimmen mit -Al₂ O₃ , und die Ebenen (300), (214), (113) und (104) entsprechen α -Al₂ O₃ . Wie in Abb. 4 (b3) gezeigt, werden die interplanaren Distanzen von 0,202 nm, 0,273 nm, 0,284 nm und 0,454 nm (21 \( \overline{1} \)), (20 \( \overline{ 2} \)), (004) und (10 \( \overline{2} \)) Ebenen von θ -Al₂ O₃ , und der interplanare Abstand von 0,209 und 0,238 nm wird den (113)- ​​und (110)-Ebenen von α . zugewiesen -Al₂ O₃ . Abbildung 4 (c1) zeigt, dass die Fe-dotierte Probe eine Mischung aus Nanostäbchen mit einem Durchmesser von 5–10 nm und einer Länge von 30–100 nm und Nanopartikeln von etwa 10 nm ist. Abbildung 4 (c2) zeigt, dass die (20 \( \overline{2} \))-Ebenen mit θ . übereinstimmen -Al₂ O₃ , und die Ebenen (300), (214), (024), (113), (104) und (116) entsprechen α -Al₂ O₃ , es stimmt mit den XRD-Ergebnissen überein. In der Zwischenzeit werden die beobachteten interplanaren Distanzen von 0,284 und 0,454 nm den (004)- und (10 \( \overline{2} \))-Ebenen von θ . zugeordnet -Al₂ O₃ , und der interplanare Abstand von 0,238 und 0,255 nm wird den Ebenen (110) und (104) von α . zugewiesen -Al₂ O₃ (Abb. 4 (c3)).

TEM, SAED und HRTEM von Aluminiumoxid-Nanostäben, die mit verschiedenen Ionen dotiert sind:a undotiertes Aluminiumoxid, b Cr-dotiertes Aluminiumoxid, c Fe-dotiertes Aluminiumoxid, d Mg-dotiertes Aluminiumoxid und e das aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellte Aluminiumoxid. (1) TEM; (2) SAED; (3) HRTEM

Wie in Abb. 4 (d1–d3) gezeigt, besteht die Mg-dotierte Probe aus gut dispergierten Nanostäbchen mit einem Durchmesser von 5–10 nm und einer Länge von 20–50 nm, und gleichzeitig existieren Nanopartikel von etwa 10 nm. Die SAED-Ergebnisse zeigen, dass die Ebenen (215), (21 \( \overline{1} \)) und (20 \( \overline{2} \)) mit θ . übereinstimmen -Al₂ O₃ , und die Ebenen (300), (214), (113) und (104) entsprechen α -Al₂ O₃ . Die HRTEM-Ergebnisse zeigen, dass der beobachtete interplanare Abstand von 0,226 und 0,191 nm den (20 \(\overline{4}\))- und (006)-Ebenen von θ . zugeordnet wird -Al₂ O₃ , und der interplanare Abstand von 0,255 und 0,238 nm wird den (104)- und (110)-Ebenen von α . zugewiesen -Al₂ O₃ . Abbildung 4 (e1–e3) zeigt, dass die aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm hergestellte Probe aus gut dispergierten Nanostäbchen mit einem Durchmesser von 4–6 nm und einer Länge von 50–100 nm besteht und gleichzeitig Nanopartikel von etwa 5–10 nm existieren. Die SAED- und HRTEM-Ergebnisse zeigen, dass (215), (111), (21 \( \overline{1} \)), (31 \( \overline{3} \)) und (20 \( \overline{2 } \)) Ebenen entsprechen θ -Al₂ O₃ , und die beobachteten interplanaren Distanzen von 0,226, 0,245, 0,284 und 0,454 nm werden den (20 \( \overline{4} \)), (111), (004) und (10 \( \overline{2 } \)) Ebenen davon. Es gibt jedoch keine Ebenen gemäß α -Al₂ O₃ . Als Ergebnis sind die undotierten Aluminiumoxid-Nanostäbe gut dispergierend als die anderen, und die Partikel haben eine regelmäßige Form. Es kann sein, dass die Verunreinigungselemente in den Aluminiumoxidkristall dotiert sind und das Kristallwachstum von Aluminiumoxid-Nanostäben gemäß den Regeln eingeschränkt wird. Daher werden die Formen und Dispergierbarkeiten der Aluminiumoxid-Nanostäbe durch die dotierten Elemente beeinflusst.

EDS-Charakterisierung von Aluminiumoxid-Nanostäbchen-Vorläufern, die mit verschiedenen Ionen dotiert sind

Die EDS-Ergebnisse zeigen, dass Cr, Fe und Mg in der Vorstufe der Aluminiumoxid-Nanostäbe mit einer Molmenge von 2,06, 0,99 bzw. 0,58 % dotiert sind (Tabelle 3). Diese Dotierungsmenge liegt nahe der Zugabedosierung des Fremdstoffelements (Tabelle 2), was darauf hinweist, dass die meisten Fremdstoffelemente in den Aluminiumoxid-Nanostabvorläufer dotiert sind. Für die aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm hergestellte Probe beträgt die dotierte Molmenge von Cr, Fe und Mg 2,11, 0,14 bzw. 0,96%. Die Ergebnisse legen nahe, dass der größte Teil von Cr und Mg in der Probe dotiert ist, jedoch eine kleine Menge Fe darin dotiert ist. Es ist möglich, dass die Dotierung von Fe durch die Konkurrenz von Cr und Mg eingeschränkt wird.

XPS-Charakterisierung von Nanometer-Aluminiumoxidfasern, die mit verschiedenen Ionen dotiert sind

Abbildung 5 zeigt die XPS-Spektren von O1s und Al 2p . Wie in Abb. 5a gezeigt, werden die Peaks bei 531,90, 531,85, 531,15, 531,20 und 532,00 eV den undotierten, Cr-dotierten, Fe-dotierten und Mg-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäben und der aus dem chromhaltigen hergestellten Probe zugeschrieben Aluminiumoxidschlamm bzw. Die Peaks werden O ²⁻ . zugeordnet des Al₂ O₃ [31]. Abbildung 5b zeigt die Peaks bei 74,00, 74,25, 74,75, 74,38 und 73,90 eV von Al 2p werden jeweils den obigen Beispielen zugeschrieben. Die Peaks werden Al ³⁺ . zugeschrieben des Al₂ O₃ . Inzwischen werden die guten Symmetrien der Kurve durch Gauß-Anpassung nachgewiesen, was darauf hinweist, dass in den Proben weniger anderer Sauerstoff und Aluminium gebildet werden. Die O1s Bindungsenergien (BE) von undotierten und Cr-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäben und der aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellten Probe sind fast und sind höher als die von Fe-dotierten und Mg-dotierten Proben. Die Reihenfolge der kleinsten O1s BE ist wie folgt:Fe-dotierte, Mg-dotierte, Cr-dotierte, undotierte Aluminiumoxid-Nanostäbe und die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellte Probe. Die Al 2p BE steht im Gegensatz. XRD-Ergebnisse zeigen, dass der vorübergehendere Zustand θ -Al₂ O₃ befinden sich in den undotierten und Cr-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäben und der Probe, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurde, und mehr α -Al₂ O₃ befinden sich in den Fe-dotierten und Mg-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäben. Aufgrund der Koordinationsform [AlO₄ ] für θ -Al₂ O₃ und [AlO₆ ] für α -Al₂ O₃ , ist es möglich, dass die O1s BE von [AlO₆ ] ist größer und Al 2p BE ist kleiner als [AlO₄ ]. Darüber hinaus sind die Gitterfehler von Al₂ O₃ werden durch Cr-, Fe- und Mg-Ionen verursacht, die in Al₂ . eintreten O₃ Gitter. Somit werden die chemischen Zustände von O und Al durch den Gitterdefekt beeinflusst und die Bindungsenergie verändert.

XPS-Spektren von a O1s und b Al 2p für mit verschiedenen Ionen dotierte Aluminiumoxid-Nanostäbe

Abbildung 6 zeigt die XPS-Spektren des Dotierungsions. Wie in Abb. 6a gezeigt, werden die Peaks bei 589,80 und 578,52 eV Cr 2p . zugeordnet _1/2 und Cr 2p _3/2 von Cr(VI) und die Peaks bei 587,53 und 577,39 eV werden Cr 2p . zugeordnet _1/2 und Cr 2p _3/2 von Cr(III). Es zeigt, dass das Cr in den Cr-dotierten Aluminiumoxid-Nanostäben als Cr(VI) und Cr(III) existiert. Das meiste Cr liegt jedoch als Cr(III) in der Probe vor, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurde. Dies zeigt an, dass der Teil von Cr(III) im Kalzinierungsprozess in der Cr-dotierten Probe oxidiert wird, jedoch weniger Cr(III) in den Proben oxidiert wird, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurden. Bei den Proben, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurden, wurde das Elektrodenpotential von Cr ⁶⁺ /Cr ³⁺ wird bei hoher Temperatur erhöht, daher wenig Cr(VI) in der Probe. Wie in Abb. 6b gezeigt, werden die Peaks bei 724,45 und 711,30 eV Fe 2p . zugeordnet _1/2 und Fe 2p _3/2 von Fe₂ O₃ , und 722.38 und 710.44 eV werden Fe 2p . zugeordnet _1/2 und Fe 2p _3/2 von Fe₃ O₄ . Die Ergebnisse zeigen, dass Fe in der Fe-Dotierungsprobe als Fe(II) und Fe(III) vorhanden ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Fe-Element in das Gitter des Aluminiumoxid-Vorläufers eingetragen wird und während der Synthese am Gitter Aluminium stattfindet. Beim anschließenden Kalzinierungsprozess wird ein wenig Fe(III) durch reduzierende Substanz in der Luft zu Fe(II) reduziert. Es gibt jedoch keine Fe-Peaks in der Probe, die aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellt wurde, aufgrund von wenig Fe in der Probe (Tabelle 3). Wie in Abb. 6c gezeigt, werden die Peaks bei 50,20 bis 50,34 eV Mg 2p . zugeordnet von MgO, was darauf hindeutet, dass Mg in der Mg-dotierten Probe als MgO existiert. Der Höchstwert von Mg 2p ist in der aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellten Probe sehr schwach. Möglicherweise ist der Mg-Gehalt selten. Die Ergebnisse stimmen mit dem EDS überein. Gemäß den Ergebnissen von XRD, FT-IR und XPS wird veranschaulicht, dass die Gitterunvollkommenheit von Einzelelement-Dotierungsproben aufgrund der Verunreinigungen des metallischen Elements gebildet wird, die in das Gitter aus Aluminiumoxid eintreten. Aufgrund der Konkurrenz mehrerer Elemente wird jedoch mehr Cr in das aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm hergestellte Aluminiumoxidgitter eingetragen, und es werden nur wenige Fe- und Mg-Elemente eingetragen.

XPS-Spektren von a Cr ³⁺ 2p , b Fe ³⁺ 2p , und c Mg ²⁺ 2p

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden die Verunreinigungselemente in Aluminiumoxid-Nanostäbe wie Cr, Fe und Mg dotiert. Die Kristallumwandlung von Aluminiumoxid wird durch das dotierte Cr eingeschränkt und durch das dotierte Fe und Mg erleichtert, das aus θ . umgewandelt wird -Al₂ O₃ zu α -Al₂ O₃ im Kalzinierungsprozess. Außerdem wird die Kristallumwandlung von Aluminiumoxid durch codotierte Elemente aus dem chromhaltigen Aluminiumoxidschlamm stark eingeschränkt. Der Verlauf der Phasenstrukturumwandlung, chemische Bindung, Mikrostruktur und der chemische Zustand von O und Al der Aluminiumoxid-Nanostäbe werden durch die dotierten Elemente beeinflusst. In der aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm hergestellten Probe wird die Fe-Dotierung durch die Konkurrenz von Cr und Mg eingeschränkt. Diese Studie legt nahe, dass Aluminiumoxid-Nanostäbe aus chromhaltigem Aluminiumoxidschlamm hergestellt werden können, um Kosten zu senken und Umweltverschmutzung zu vermeiden.

Abkürzungen

BE:

Bindungsenergie

DSC:

Dynamische Differenzkalorimetrieanalyse

EDS:

Energiedispersives Spektrometer

FETEM:

Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskopie

FT-IR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektren

HRTEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

SAED:

Ausgewählte Bereichselektronenbeugung

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TG:

Thermogravimetrischer Analysator

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenpulverbeugung