摘要：本文介紹了采用氣體吸附技術(shù)對(duì)氧化鋁的比表面積、孔容、孔徑分布以及真密度等物理性能參數(shù)的表征。氧化鋁在礦業(yè)、制陶業(yè)和材料科學(xué)上又被稱(chēng)為礬土，是一種高硬度化合物，因其高比表面積及多孔隙結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航天、電子、化學(xué)化工、醫(yī)藥、吸附、催化劑及其載體，以及陶瓷、機(jī)械及冶金等各個(gè)領(lǐng)域中。

冶金級(jí)氧化鋁。圖片來(lái)源：云南鋁業(yè)股份有限公司

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　　1.氧化鋁

　　氧化鋁(aluminium oxide)通常稱(chēng)為“鋁氧”，是一種白色粉狀物，化學(xué)式Al2O3，是一種非常重要的金屬氧化物，熔點(diǎn)為2054℃，沸點(diǎn)為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體，常用于制造耐火材料。工業(yè)氧化鋁是由鋁礬土（Al2O3·3H2O）和硬水鋁石制備，拜耳法是生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，其產(chǎn)量約占全世界氧化鋁總產(chǎn)量的95%左右?，F(xiàn)已知氧化鋁有10多種同質(zhì)異晶體，主要有3種晶型，即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3，1300℃以上高溫時(shí)幾乎完全轉(zhuǎn)化為α-Al2O3，氧化鋁的分類(lèi)見(jiàn)圖1所示：

圖1 氧化鋁的分類(lèi)

　　氧化鋁的主要特點(diǎn)是具有多孔性、高分散性、絕緣性等特點(diǎn)，其形態(tài)可有餅狀、粉狀、晶塊狀以及球形顆粒狀。按活性分類(lèi)有活性及非活性氧化鋁，活性氧化鋁具有抗破碎強(qiáng)度高，表面積適中、孔徑與孔隙可調(diào)、吸附性能好、表面酸性、熱穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，主要用在液體干燥、水質(zhì)凈化、催化等領(lǐng)域。按粒徑尺寸可分為普通氧化鋁和納米氧化鋁，納米氧化鋁可提高體系的低溫韌性，降低體系燒結(jié)溫度，可用作陶瓷添加劑。高純氧化鋁是純度為99.99%以上的氧化鋁，常用于陶瓷和鋰電池隔膜以及集成電路和消費(fèi)電子行業(yè)。

　　GB/T 24487-2022氧化鋁中規(guī)定了氧化鋁化學(xué)分析方法和物理性能測(cè)定方法，其中比表面積和孔結(jié)構(gòu)的測(cè)定是氧化鋁物理性能重要的表征方法，其依據(jù)是GB/T6609.35-2009 氧化鋁化學(xué)分析方法和物理性能測(cè)定方法第35部分：比表面積的測(cè)定，氮吸附法進(jìn)行比表面積測(cè)定，下面就常見(jiàn)氧化鋁物理性能表征進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　2.高純?chǔ)?Al2O3比表面積表征

　　α-Al2O3晶型穩(wěn)定，粒度分布范圍窄、純度控制較簡(jiǎn)單，比表面積低，具有耐高溫的惰性，但不屬于活性氧化鋁，幾乎沒(méi)有催化活性，經(jīng)常用于制備各種耐火磚的耐高溫實(shí)驗(yàn)儀器和研磨劑、阻燃劑等；高純?chǔ)?氧化鋁是人造藍(lán)寶石、紅寶石的原料，也可用于鋰電池隔膜、功能陶瓷、精密拋光、熒光粉、陶瓷基板等高端領(lǐng)域。

　　應(yīng)用于鋰電池隔膜的高純氧化鋁具有微孔調(diào)節(jié)、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、解決PP/PE材料導(dǎo)熱性差的作用，其物理性能技術(shù)指標(biāo)要求比表面2 ~ 8m2/g，采用國(guó)儀精測(cè)F-Sorb X400CES系列和V-Sorb X800S系列比表面積測(cè)試儀對(duì)2種高純氧化鋁進(jìn)行比表面積測(cè)定，BET比表面積分別為5.54 m2/g和2.03 m2/g，P/P0選點(diǎn)范圍在0.05 ~ 0.35之間，線(xiàn)性擬合度＞0.999，截距均為正值，儀器自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單便捷，測(cè)試效率高。

圖2 不同氧化鋁比表面積測(cè)試結(jié)果

（上圖：F-Sorb X400CES動(dòng)態(tài)法測(cè)試，下圖：V-Sorb X800S靜態(tài)法測(cè)試）

　　3.活性氧化鋁比表面積和孔徑分布表征

　　活性氧化鋁是一類(lèi)多孔性、高分散度的固體材料，有很大的比表面積，其微孔表面具備催化作用要求的諸如吸附性、表面活性、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等特性，被廣泛的用作吸附劑、催化劑和催化劑載體。

　　由三水鋁石或拜耳石加熱脫水后得到的γ-Al2O3和由鋁酸鹽或鋁鹽或二者同時(shí)生產(chǎn)的擬薄水鋁石均稱(chēng)為活性氧化鋁，目前氧化鋁材料的合成方法有模板法、溶膠-凝膠法、沉淀法、微加熱法、水熱法以及納米鑄造法等[1]，研究人員通過(guò)不同條件和不同制備方法合成的氧化鋁具有不同的比表面積和孔體積，如圖3和圖4所示，采用V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試等溫線(xiàn)表明兩種氧化鋁材料主要為Ⅳ類(lèi)等溫線(xiàn)，活性氧化鋁1#和活性氧化鋁2#的比表面積分別為144.35 m2/g和66.21 m2/g；最可幾孔徑分別是5.73 nm，19.02 nm，表明兩種材料都是介孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁；此外，兩種氧化鋁材料的等溫線(xiàn)回滯環(huán)不同，表明孔的結(jié)構(gòu)存在一定的差異。

圖3 活性氧化鋁1#的N2-吸脫附等溫線(xiàn)（上圖）和BJH孔徑分布圖（下圖）

圖4 活性氧化鋁2#的N2-吸脫附等溫線(xiàn)（上圖）和BJH-孔徑分布圖（下圖）

　　4.氧化鋁改性效果表征

　　研究表明，在介孔氧化鋁分子篩骨架中引入少量其他金屬原子、陰離子或者陽(yáng)離子可以改善表面酸堿性質(zhì)、催化活性以及熱穩(wěn)定性，即通過(guò)浸漬法和原位合成法對(duì)介孔氧化鋁進(jìn)行改性以提高其性能[2]。以下是采用V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)改性后的氧化鋁材料表征案例，合成氧化鋁以及合成氧化鋁負(fù)載金屬等溫線(xiàn)相似且主要為Ⅳ型等溫線(xiàn)，通過(guò)改性負(fù)載金屬的氧化鋁BET比表面積值從232.38 m2/g降低到206.75 m2/g，最可幾孔徑由原來(lái)的6.55 nm增加到8.95 nm，結(jié)果表明改性氧化鋁的負(fù)載金屬改變了氧化鋁的比表面積值和孔徑結(jié)構(gòu)。

圖5 氧化鋁的N2-吸脫附等溫線(xiàn)（上圖）和BJH-孔徑分布圖（下圖）

圖6 改性氧化鋁的N2-吸脫附等溫線(xiàn)（上圖）和BJH-孔徑分布圖（下圖）
如圖7所示，納米化合成氧化鋁微粉BET比表面積值增大到296.01m2/g ，最可幾孔徑達(dá)到2.21nm，增大的比表面積和縮小的孔徑范圍顯示氧化鋁的吸附能力有了提高。

圖7 納米化氧化鋁的N2-吸脫附等溫線(xiàn)（上圖）和BJH-孔徑分布圖（下圖）

　　5.氧化鋁真密度測(cè)定

　　氧化鋁物理性能測(cè)定方法中除了對(duì)比表面積和孔徑分布表征外，還對(duì)松裝密度等做了規(guī)定，常見(jiàn)的表征還有氧化鋁真密度的測(cè)定，采用國(guó)儀精測(cè)G-DenPyc X900系列真密度測(cè)定儀對(duì)氧化鋁真密度進(jìn)行測(cè)定，G-DenPyc X900系列真密度測(cè)定儀有不同大小體積的樣品管，滿(mǎn)足不同樣品量測(cè)試需求，測(cè)試速度快，可一次性測(cè)試3個(gè)樣品，測(cè)試精度高，結(jié)果如圖8所示，對(duì)不同氧化鋁的進(jìn)行測(cè)試，真密度結(jié)果分別為3.30 g/ml和3.21 g/ml。

圖8 不同氧化鋁真密度測(cè)試結(jié)果

上圖：大樣品管適宜樣品量多測(cè)試，下圖：小樣品管適宜樣品量少測(cè)試）

　　6.國(guó)儀精測(cè)V-Sorb X800系列

　　國(guó)儀精測(cè)V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀采用靜態(tài)容量法測(cè)試原理，具備完全的自動(dòng)化操作，人性化的操作界面，簡(jiǎn)單易學(xué)。產(chǎn)品技術(shù)通過(guò)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技成果鑒定，被歐美高校、科研實(shí)驗(yàn)室選購(gòu)使用，獲得一致好評(píng)，樹(shù)立了優(yōu)良的國(guó)產(chǎn)品牌形象。

全自動(dòng)比表面及孔徑分析儀V-Sorb X800系列

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 李翔，新型孔結(jié)構(gòu)氧化鋁的合成與催化性能研究 2013,4
　　[2] G. A. H. Mekhemer, A. K. H. Nohman, N. E. Fouad, et al.,Colloids Surf. A, 2000, 161, 439.

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標(biāo)簽：氣體吸附技術(shù)