بررسی انواع دیگر روش‌های تولید نانوذرات پودر آلومینا

در این مطالعه، به بررسی سایر روش‌های سنتز نانوذرات پودر آلومینا نظیر شیمی تر، مایکروویو، مکانوشیمیایی، هیدرولیز پرداخته شده است.

روش شیمی تر برای سنتز نانوذرات پودر آلومینا

روش دیگر برای تولید نانوذرات پودر آلومینا، روش شیمی تر است. در این روش رسوب به صورت قطره‌ای درون محلول با سرعت مشخصی ریخته شده و رسوب حاصل به دست می‌آید. pH محلول در روش به‌شدت موثر است. روش شیمی تر چندین مزیت دارد، که از جمله آن‌ها می‌توان به، به‌دست آمدن مواد خام از بازیافت پسماندها اشاره کرد، همچنین نانوذرات پودر آلومینای حاصل، دارای اندازه یکنواخت و پایداری حرارتی بالا هستند. بر اساس مطالعه هونگشیا لو  و همکارانش ]1[ در سال 2005 در دانشگاه ژنگژوی چین، در این روش از نانوذرات آلومینیوم (100 نانومتر) با خلوص 99 درصد، نیترات آلومینیوم، آب مقطر، آمونیاک، اسید کلریدریک رقیق و اتانول استفاده می‌شود. نمودار زیر، مراحل مختلف فرآیند سنتز به روش شیمی تر را نشان می‌دهد.

این مواد در نسبت‌های استوکیومتری، توزین و اندازه‌گیری می‌شوند. ابتدا از آب مقطر برای حل‌کردن نیترات آلومینیوم استفاده می‌شود. سپس نانوپودر آلومینیوم اضافه شده و آمونیاک با سرعت 100 قطره در دقیقه به مخلوط اضافه می‌شود. برای جلوگیری از توده‌ای‌شدن ذرات، اسید کلریدریک رقیق اضافه می‌شود. مقدار pH (6 = pH) در تمام مدت واکنش برای محلول ثابت نگه‌داشته شد.

رسوب کامپوزیت فیلتر شده و با آب مقطر یا اتانول شسته می‌شود. سپس رسوب حاصل در دمای 80 درجه سانتیگراد خشک و تا دمای 1100 درجه سانتیگراد کلسینه می‌شود. فاز پیش ساز قبل و بعد از کلسیناسیون با استفاده از آنالیز XRD تعیین شد. بررسی الگوی XRD نمونه‌های سنتزشده در دماهای مختلف تکلیس، نشان می‌دهد که فاز 𝛾-Al₂O₃ پس از کلسینه‌شدن نمونه در دمای 450 درجه سانتیگراد مشاهده شده است.

تنها فاز تشکیل‌شده در دمای کلسینه 800 درجه سانتیگراد، فاز 𝛿-Al₂O₃ بوده است. هنگامی که دما به 1000 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، فاز 𝜃- Al₂O₃ نمایان شده و با رسیدن دما به 1100 درجه سانتیگراد، فاز α-Al₂O₃ به‌طور کامل به دست آمده است. در مقایسه با روش شیمی تر مرسوم، افزودن افزودنی‌های آلومینیوم دمای تشکیل فاز α-Al₂O₃ را حدود 200 درجه سانتیگراد کاهش داده است. مطابق شکل زیر، شکل نانوذرات پودر آلومینای حاصل و اندازه ذرات آن توسط TEM مورد بررسی قرار گرفته است.

شکل الف، نشان می‌دهد که ذرات خشک‌شده بوهمیت شبیه الیاف هستند. افزایش دمای کلسیناسیون باعث افزایش اندازه ذرات شده و شکل آن‌ها را از الیافی به صفحه‌ای‌شکل تغییر داده است. این ذرات صفحه‌ای‌شکل آلومینا، دارای قطر متوسط حدود 80 نانومتر و طول حدود 500 – 300 نانومتر هستند. مطابق شکل د، هیچ توده‌ای از ذرات تشکیل نشده است.

روش مایکروویو برای سنتز نانوذرات پودر آلومینا

تشعشعات مایکروویو می‌تواند به عنوان یک منبع حرارتی قدرتمند برای سنتز نانوذرات پودر آلومینا از فاز مایع در مدت زمان کوتاه، مورد استفاده قرار گیرد. حرارت‌دهی با مایکروویو، روشی کارآمدتری برای کنترل حرارت است زیرا نسبت به روش‌های مرسوم به انرژی کمتری نیاز دارد. این به دلیل مکانیسم‌های گرمایش متفاوت است. در یک کوره مایکروویو، به دلیل برهمکنش مایکروویو با مواد، نمونه در خودش تولید می‌شود. در حالی که، سیستم گرمایشی مرسوم، گرمای تولیدشده توسط المنت حرارتی سپس به سطح نمونه منتقل می‌شود.

حسن پور و همکارانش[1] ، نانوذرات پودر آلومینا را با استفاده از عصاره‌های گیاهی با حرارت‌دادن توسط تشعشعات مایکروویو سنتز کردند. مواد مورد استفاده عبارتند از نیترات آلومینیوم، عصاره‌های گیاهی و اتانول. در این سنتز از گیاهان میخک، دو گونه مرزنجوش وحشی و اروپایی، کاکئو تئوبروما و کاسنی استفاده شده است. نیترات آلومینیوم (بیش از 98 درصد) و عصاره‌های گیاهی به نسبت وزنی 1:4 مخلوط و سپس هم‌زده شده و محلول به مدت 10 دقیقه در 610 وات تحت تابش اشعه قرار گرفته است. سپس محلول حاصل سانتریفیوژ شده و با اتانول و آب دیونیزه شسته شده است. برای جلوگیری از تجمع و توده‌ای‌شدن نانوذرات پودر آلومینا، پودر در آب دیونیزه حل شده و تحت ارتعاش اولتراسونیک 150 وات قرار گرفته است.

تمام نانوذرات پودر آلومینای سنتزشده، شکل تقریبا کروی دارند. تجزیه و تحلیل SEM نانوذرات سنتزشده در شکل زیر نشان داده شده است که تجمعی از نانوذرات را در محدوده 300 – 60 نانومتر نشان می‌دهد. الگوی XRD نانوذرات پودر آلومینای سنتزشده با گیاه میخک یک ساختار نیمه‌کریستالی را نشان می‌دهد، در حالی که مابقی نمونه‌ها، پیک‌های قابل‌توجهی را نشان نمی‌دهند که بیانگر وجود ساختار آمورف است.

روش مکانوشیمیایی برای سنتز نانوذرات پودر آلومینا

یکی دیگر از روش‌های سنتز نانوذرات پودر آلومینا، روش مکانوشیمیایی است که در آن از ابزار استفاده می‌شود. رایج‌ترین دستگاه آسیاب گلوله‌ای است که پودر را به اندازه ذرات ریز آسیاب می‌کند. با کاهش اندازه ذرات، سرعت بالای آسیاب منجر به افزایش سطح تماس بین پودرهای واکنش‌دهنده می‌شود. از مزایای این روش، تولید در مقیاس بزرگ، خلوص بالا و مقرون‌به‌صرفه‌بودن آن است. از معایب آن نیز می‌توان به نیاز به انرژی بالا، مدت زمان طولانی آسیاب، آلودگی پودر به دلیل تماس با گلوله‌های فولادی و میکروساختار حساس پودر اشاره کرد.

گائو و همکارانش، از AlCl₃.6H₂O و NH₄HCO₃، آب دیونیزه و هیدروکسید آمونیوم استفاده کردند. مخلوط 03/0 مول AlCl₃.6H₂O و 15/0مول NH₄HCO₃ آسیاب می‌شود. پس از آن، 20 میلی‌لیتر محلول هیدروکسید آمونیوم (25 درصد) اضافه و خرد می‌شود. pH محصول نهایی 10 – 9 خواهد بود. آب دیونیزه و اتانول به ترتیب برای فیلتر و شستشوی مواد اولیه استفاده می‌شود. همراه با مواد اولیه، نشاسته محلول وزن شده و در اتانول بی‌آب دیسپرس می‌شود. پس از 30 دقیقه فراصوت، مخلوط فیلتر و به مدت 30 دقیقه در دمای 60 درجه سانتیگراد خشک می‌شود. مخلوط خشک‌شده به مدت 5/1ساعت در دمای 1100 درجه سانتیگراد در هوا کلسینه می‌شود.

در مقایسه با روش شیمی تر، این روش ساده‌تر و دارای دمای کلسیناسیون پایین‌تری است و منجر به تولید نانوذرات آگلومره کمتری می‌شود و آن را برای ساخت تجاری مناسب‌تر می‌کند. شکل زیر تصاویر TEM نانوذرات پودر آلومینا را نشان می‌دهد.

روش هیدرولیز برای سنتز نانوذرات پودر آلومینا

یکی از روش‌های سنتز نانوذرات پودر آلومینا، هیدرولیز است که بر پایه واکنش هیدرولیز مواد خام مخلوط‌شده در راکتور است و بستگی به دما دارد. در این روش نانوذراتی با سطخ ویژه و پایداری حرارتی بالا تولید می‌شود. در این روش سنتز، از پودر فسفید آلومینیوم و آب دیونیزه به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. این مواد با نسبت‌های استوکیومتری توزین و اندازه‌گیری می‌شوند. ابتدا آب دیونیزه به پودر فسفید آلومینیوم در راکتور اضافه می‌شود. دمای واکنش در دمای 363 کلوین، ثابت نگه‌داشته می‌شود. پس از اتمام واکنش و سردشدن تا دمای اتاق، رسوبی از هیدروکسید آلومینیوم به‌دست می‌آید که فیلتر شده و با آب دیونیزه شسته می‌شود.

منابع:

[1]  10536/DRO/DU:30149770

[2]  https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.04.047

[3]  https://doi.org/10.1142/S0217984918501099