扒一扒氧化鋁同質(zhì)異晶體的多樣功能

氧化鋁是生活中非常常見(jiàn)的材料，不論是我們耳熟能詳?shù)募t藍(lán)寶石、人造牙、人造骨、陶瓷刀具，亦或是生活中不易為我們發(fā)覺(jué)的氧化鋁納米傳感器、催化劑載體、除氟劑等，氧化鋁無(wú)處不在。通常，我們所言的氧化鋁是指氧化鋁的水合物或者加熱分解的產(chǎn)物。已經(jīng)證實(shí)的氧化鋁晶體有α、η、γ等八種，正是因?yàn)檠趸X多種多樣、結(jié)構(gòu)各異的同質(zhì)異晶體，才有其廣泛應(yīng)用。

氧化鋁種類(lèi)劃分方法繁多，我們可以根據(jù)氧化鋁產(chǎn)品的穩(wěn)定性，將其分為三大類(lèi)：

a氧化鋁水合物：三水鋁石、諾耳石等；

b過(guò)渡相氧化鋁，γ-氧化鋁、η-氧化鋁等；

c穩(wěn)定相氧化鋁，α-氧化鋁（剛玉）。

隨心所欲控制氧化鋁晶型變化一直是我們的夢(mèng)想，氧化鋁各種晶型的轉(zhuǎn)化一直是研究的熱點(diǎn)，其繁雜的變化可以參加圖1。

圖1 氧化鋁的晶型轉(zhuǎn)換（圖片來(lái)源：《八種晶型氧化鋁的研制與鑒別》）

目前，氧化鋁主要的應(yīng)用以α和γ兩種晶型為主，這兩種晶型的特點(diǎn)突出，性能優(yōu)異，在生產(chǎn)實(shí)踐中作用重大。圖2為α、β型高純氧化鋁參數(shù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)其最直觀的不同就是比表面積的大小不同。接下來(lái)，我們主要通過(guò)介紹這最具有代表性的兩種晶型，來(lái)了解氧化鋁豐富多彩的應(yīng)用。

α-氧化鋁

在α-氧化鋁晶格結(jié)構(gòu)中，氧離子為六方緊密堆積，鋁離子對(duì)稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心，晶格能比較大，因此熔點(diǎn)、沸點(diǎn)很高；α-氧化鋁不溶于水和酸，其比表面積低，具有耐高溫的惰性。

圖2 各種顏色的天然剛玉族寶石，其顏色不同是因?yàn)樗s質(zhì)不同

α-氧化鋁在自然界中以剛玉形式存在，剛玉一般呈帶藍(lán)或帶黃的灰色，常因含有不同的雜質(zhì)而呈現(xiàn)不同的顏色。同屬于剛玉礦物的紅藍(lán)寶石，是世界上公認(rèn)的兩大珍貴彩色寶石品種。天然寶石美麗而稀少，倍受人們青睞，因而價(jià)格昂貴。我們可以通過(guò)高純?chǔ)?氧化鋁來(lái)生產(chǎn)人造的紅寶石、藍(lán)寶石。紅寶石呈現(xiàn)紅色是因?yàn)槠渲谢煊猩倭亢t化合物；而藍(lán)寶石呈現(xiàn)藍(lán)色則是由于其中混有少量含鈦化合物。由于藍(lán)寶石電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高，因此可以用來(lái)作為集成電路的襯底材料，可廣泛用于發(fā)光二極管及微電子電路，從而替代高價(jià)的氮化硅襯底，制作超高速集成電路。

圖3 單晶藍(lán)寶石襯底是目前應(yīng)用最為廣泛的襯底材料

此外，藍(lán)寶石可以做成光學(xué)傳感器以及其它一些光學(xué)通信和光波導(dǎo)器件。如高溫高壓或真空容器的觀察窗、液晶顯示投影儀的散熱板、有害氣體檢測(cè)儀和火災(zāi)監(jiān)測(cè)儀的窗口、光纖通訊接頭盒等。

人造剛玉的應(yīng)用同樣神通廣大，工業(yè)上常將純?chǔ)列脱趸X粉末在高溫電爐中燒結(jié)制成人造剛玉，也稱電熔剛玉．它能耐1800℃以上的高溫，是制造高級(jí)特殊耐火材料的原料，有高溫下機(jī)械強(qiáng)度大，抗熱震性好，抗侵蝕性強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，用于制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、噴咀，雷達(dá)天線保護(hù)罩，原子能反應(yīng)堆材料，高級(jí)高頻絕緣陶瓷，冶煉純金屬和合金的坩堝，高溫發(fā)熱原件，熱電偶保護(hù)管，各種高溫爐的爐襯等．人造剛玉還用于制精密儀表軸承和金屬絲的拉絲具。

圖4 剛玉由于耐高溫、穩(wěn)定性好，可用作剛玉磚.

α-氧化鋁由于具有一定的導(dǎo)熱率，還用于制備各種導(dǎo)熱高分子材料，如各種導(dǎo)熱硅膠體系、環(huán)氧體系、工程導(dǎo)熱塑料體系、各類(lèi)導(dǎo)熱灌封膠、各類(lèi)橡膠體系，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)、化工等行業(yè)。金戈新材所用的導(dǎo)熱填料就含α-氧化鋁，其中包括不規(guī)則氧化鋁、球形氧化鋁、類(lèi)球形氧化鋁等，通過(guò)表面包覆、復(fù)合工藝等加工成成品，具有加工性能優(yōu)異，導(dǎo)熱率高，可實(shí)現(xiàn)高填充、高絕緣，高純度等特點(diǎn)，非常適合制備各式各樣的導(dǎo)熱功能材料。

導(dǎo)熱高分子材料

γ-氧化鋁

　γ-氧化鋁是氫氧化鋁在低溫環(huán)境下脫水制得，工業(yè)上也叫活性氧化鋁、鋁膠．其結(jié)構(gòu)中氧離子近似為立方面心緊密堆積，Al3+不規(guī)則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中。γ-氧化鋁不溶于水，能溶于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液，在低溫下穩(wěn)定，將它加熱至1200℃就全部轉(zhuǎn)化為α-氧化鋁。γ氧化鋁是一種多孔物質(zhì)，具有很大的表面積。

圖5 活性氧化鋁球可應(yīng)用于催化劑及其載體、除氟劑、凈水劑、干燥劑等

催化劑的孔結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑的反應(yīng)性能有著非常重要的影響。多相催化劑的活性、選擇性及熱穩(wěn)定性不僅取決于活性組分的固有催化特征，又和催化劑載體的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。γ型氧化鋁每克的內(nèi)表面積高達(dá)數(shù)百平方米，活性高吸附能力強(qiáng)，大量作為催化劑載體，使一些活性很高價(jià)格昂貴的催化劑（如鉑、鈀等）分布在載體表面，可以顯著減少催化劑用量。然而，活性氧化鋁的熱穩(wěn)定性長(zhǎng)期困擾著人們，原因是在高溫反應(yīng)體系中，催化劑載體由于燒結(jié)或者相變的原因，比表面積大幅度下降，從而使得負(fù)載的催化劑失去活性。因此，阻止活性氧化鋁的晶相轉(zhuǎn)變，提高活性氧化鋁的熱穩(wěn)定性，是γ-氧化鋁載體研究的重要課題。

大量的研究表明，在氧化鋁結(jié)構(gòu)表面引入某種離子對(duì)γ-氧化鋁的相變和燒結(jié)具有較明顯的影響。目前，用作改性氧化鋁的添加劑可分為五大類(lèi)，即稀土、過(guò)渡金屬、堿土金屬、二氧化硅以及其它氧化物。經(jīng)過(guò)改性的活性氧化鋁，在高溫下依然有較大的比表面積，但不同元素改性氧化鋁的機(jī)理各不相同。有研究表明，BaO、La2O3對(duì)改性氧化鋁最為有效。BaO可能是通過(guò)阻止正三價(jià)的Al的體相擴(kuò)散而穩(wěn)定γ-氧化鋁的結(jié)構(gòu)，La2O3是通過(guò)阻止鋁離子表面擴(kuò)散起穩(wěn)定作用，而二氧化硅是通過(guò)消除氧化鋁表面的羥基來(lái)阻止γ-氧化鋁進(jìn)一步晶化。隨著助劑改性研究的深入，相信其還將能應(yīng)用于更多的催化反應(yīng)中。

此外，γ-氧化鋁能吸附大量的水蒸氣，而且被水飽和的氧化鋁很容易通過(guò)干燥的方法脫除物理吸附水而重復(fù)使用，除干燥空氣外，γ-氧化鋁還可以用于除去各種氣體和有機(jī)液體中的水分，如用于酒精脫水；同時(shí)，γ-氧化鋁也是氨、氟化氫與砷的氧化物的良好吸附劑，作為高氟飲水的優(yōu)質(zhì)除氟劑與制酸工業(yè)的除砷劑已獲得廣泛應(yīng)用。

同質(zhì)異晶氧化鋁的制備

目前，工業(yè)氧化鋁的制備多采用拜耳法，世界上95％的公司都采用拜耳法制取氧化鋁。具體的工藝流程圖參見(jiàn)圖6。不同晶型氧化鋁生產(chǎn)的差異體現(xiàn)在最后氫氧化鋁煅燒環(huán)節(jié)，由于前驅(qū)物氫氧化鋁晶型不同，在不同條件下煅燒，得到不同晶型的氧化鋁。簡(jiǎn)單而言，γ-氧化鋁是氫氧化鋁在450℃左右煅燒的產(chǎn)物，而α-氧化鋁是氫氧化鋁在1250℃以上煅燒的產(chǎn)物。

圖6 拜耳法生產(chǎn)工藝流程圖（圖片來(lái)源：拜耳法生產(chǎn)氧化鋁）

總結(jié)

兩種晶型氧化鋁由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，在不同的領(lǐng)域各顯神通，很好地代表了整個(gè)氧化鋁大家族的各種特性。

總體而言，α-氧化鋁晶型穩(wěn)定，在氧化鋁各種晶型中是最穩(wěn)定的一員，也是自然界中唯一存在的氧化鋁晶型。工業(yè)上采用拜耳法生產(chǎn)各種晶型氧化鋁，α-氧化鋁是氫氧化鋁經(jīng)過(guò)高溫煅燒產(chǎn)物，其穩(wěn)定的物理化學(xué)性能使其可以作為耐火磚、坩堝等；高純?chǔ)?氧化鋁可以合成美麗的人工寶石，并且藍(lán)寶石因其電絕緣、透明、易導(dǎo)熱、硬度高等特點(diǎn)，可以作為襯底材料而應(yīng)用廣泛。

γ-氧化鋁是氧化鋁的低溫形態(tài)，是由制備工業(yè)氧化鋁的中間產(chǎn)物（氫氧化鋁）經(jīng)低溫煅燒而得，其比表面積大，催化活性大，因此可以作為催化劑及其載體應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域；此外，γ-氧化鋁結(jié)構(gòu)疏松，易于吸水，可以作為凈水劑、干燥劑，對(duì)于一些氣體、有毒物質(zhì)也有優(yōu)異的吸附性能；對(duì)于γ-氧化鋁的改性研究一直是科研熱點(diǎn)問(wèn)題，相信隨著其熱穩(wěn)定性問(wèn)題的解決，還將在更多領(lǐng)域大放異彩。

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