磷掺杂会对活性氧化铝球性能与结构产生怎样的影响

本文系统考察了不同方法制备的磷改性氧化铝球的结构、表面物理化学性质及热稳定性;开发了磷化铝水解制备体相晶胞改性氧化铝的工艺;研究了磷掺杂对氧化铝球结构和性能的影响;对磷的化学环境与氧化铝球性能之间的关系及磷对活性氧化铝球的改性机理进行了探讨。

通过浸渍法和凝胶法,调变磷的引入方式,合成了颗粒表面改性（GI）,表层改性（GP）,内核改性（PG）和颗粒体相改性（G）四个系列磷改性氧化铝。利用低温N2吸附、XRD、FTIR及Zeta电位仪等手段研究了氧化铝球的孔织构、晶型、表面酸碱性、表面电性及高温（水热）稳定性。结果表明:在氧化铝球中引入磷可以提高氧化铝的高温热稳定性,其中以5 wt%的磷改性效果最佳;1000℃以下,浸渍法制备的GI样品具有最佳抗烧结性能;1000℃以上,凝胶法制备的G样品具有较好的热稳定性;用浸渍法和凝胶法在氧化铝中引入磷,使γ-Al2O3表面出现Br?nsted位,同时降低了表面碱性。
采用磷化铝水解法制备体相晶胞磷改性氧化铝球,开发了创新的氧化铝合成工艺,考察了工艺条件对活性氧化铝性能的影响,并进行了工艺优化。通过HRTEM、XRD、原位DRIFT、NMR等手段系统研究了该改性氧化铝的性能及结构。结果显示:水解法制备氧化铝具有良好的高温热稳定性,α相变温度提高到1300℃,体相晶胞中“锚定”的1 wt%左右的磷是其稳定的根本原因。
磷在水解及煅烧过程中从-3价变至+5价,增加了氧化铝球中的阴离子空位,从而提高了氧化铝的表面碱性。通过NMR、XRD、DRIFT等手段,研究磷在氧化铝球中的赋存方式,考察磷对活性氧化铝的稳定作用机理。实验证明:磷在氧化铝中分布越均匀、结合越牢固,其稳定作用越强;磷的不同引入方式改变了氧化铝中铝离子的配位情况,六配位铝离子越多,活性氧化铝越稳定。磷在氧化铝表面以无定型态存在,改变了氧化铝表面羟基的数量及性质,抑制了氧化铝的脱羟基烧结和颗粒长大,提高了其热稳定性;磷在氧化铝体相以单磷酸盐形式存在,抑制了铝离子的体相扩散,从而提高了氧化铝球的α相变温度。此外,在水蒸汽环境中,Al-OH被不易脱除的P-OH取代,故氧化铝的水热稳定性大幅提高。

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