Исследование условий (природы) образования пентакоординированного оксида алюминия

Оксид алюминия находит широкое применение в качестве носителя катализаторов, в том числе в системах двигателей внутреннего сгорания автомобилей, где рабочие температуры достигают свыше 1000 °С, в связи с чем он должен обладать повышенной термической устойчивостью, или термостабильностью. Данный параметр связывают с наличием пентакоординированных центров на поверхности γ-фазы Al₂O₃. В настоящей работе описано влияние pH осаждения гидроксида алюминия на присутствие пентакоординированных центров на поверхности оксида алюминия. Методом контролируемого двухструйного осаждения синтезировали образцы гидроксида алюминия с его последующим термическим разложением до оксидов. Осаждение проводили при поддержании постоянного значения pH, и для сравнения были синтезированы параллели при постоянных значениях pH = 5, 6, 7, 8 и 9. Исходные реагенты для осаждения представляли собой раствор нитрата алюминия (Al³⁺ = 1 М) и раствор аммиака (10 мас. % NH₄OH). Растворы подавали в реактор в капельном режиме при постоянном перемешивании. Полученные образцы оксида алюминия исследовали методами рентгенофазового анализа и ядерного магнитного резонанса. Полученные данные свидетельствуют о прямой зависимости между значением pH осаждения гидроксидов алюминия и образованием пентакоординированых центров на поверхности получаемых оксидов алюминия: чем выше значение pH осаждения, тем меньше содержание пентакоординированных атомов. Кроме того, была обнаружена зависимость между значением pH осаждения и размерами области когерентного рассеяния – наблюдался ее рост с увеличением pH.

1. Industrial аlumina сhemicals. Analytical Chemistry. 1987;59:706A—706A. https://doi.org/10.1021/ac00137a744

2. Ratnasamy P., Knözinger H. Infrared and optical spectroscopic study of Co—Mo—Al2O3 catalysts. Journal of Catalysis. 1978;54(2):155—165. https://doi.org/10.1016/0021-9517(78)90038-6

3. Rahimpour M.R., Jafari M., Iranshahi D. Progress in catalytic naphtha reforming process: A review. Applied Energy. 2013;109:79—93. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.03.080

4. Datsko T.Y., Zelentsov V.I. Dependence of the surface charge and the fluorine adsorption by γ-aluminum oxide on the solution temperature. Surface Engeneering and Applied Electrochemistry. 2009;45:404—410. https://doi.org/10.3103/S1068375509050111

5. Sattler J.J.H.B., Ruiz-Martinez J., Santillan-Jimenez E., Weckhuysen B.M. Catalytic dehydrogenation of light alkanes on metals and metal oxides. Chemical Reviews. 2014;114:10613—10653. https://doi.org/10.1021/cr5002436

6. Yashnik S.A., Kuznetsov V.V., Ismagilov Z.R. Effect of χ-alumina addition on H2S oxidation properties of pure and modified γ-alumina. Chinese Journal of Catalysis. 2018;39:258—274. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(18)63016-5

7. Morales-Perez A.A., Martínez-Hernandez A., Fuentes G.A. NO adsorption during lean-rich cycles on Pt—Ba/γ-Al2O3 traps in a gas stream simulating the exhaust of gasoline engines. Adsorption. 2015;21:677—686. https://doi.org/10.1007/s10450-015-9718-0

8. Wang J., Wen J., Shen M. Effect of interaction between Ce0.7Zr0.3O2 and Al2O3 on structural characteristics, thermal stability, and oxygen storage capacity. Journal of Physical Chemistry. 2008;112(13):5113—5122. https://doi.org/10.1021/jp711331g

9. Li S., Li X., Dan Y., Jiao Y., Deng J., Xiong L., Wang J., Chen Y. Designed synthesis of nanostructured Al2O3 stabilized homogeneous CeO2—ZrO2 solid solution as highly active support for Pd-only three-way catalyst. Molecular Catalysis. 2019;477:110513. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110513

10. Kang D., Yu X., Ge M., Lin M., Yang X., Jing Y. Insights into adsorption mechanism for fluoride on cactus-like amorphous alumina oxide microspheres. Chemical Engineering Journal. 2018;345:252—259. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.03.174

11. Yang X., Li Q., Wang Z., Gong X., Yu Z., Guo Y., Wang L., Guo Y., Zhan W., Zhang J., Dai S. Taming the stability of Pd active phases through a compartmentalizing strategy toward nanostructured catalyst supports. Nature Communications. 2019;10:1611. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09662-4

12. Jang E.J., Lee J., Jeong H.Y., Kwak J.H. Controlling the acid-base properties of alumina for stable PtSn-based propane dehydrogenation catalysts. Applied Catalysis, A: General. 2019;572:1—8. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2018.12.024

13. Kwak J.H., Hu J.Z., Kim D.H., Szanyi J., Peden C.H.F. Penta-coordinated Al3+ ions as preferential nucleation sites for BaO on γ-Al2O3: An ultra-high-magnetic field 27Al MAS NMR study. Journal of Catalysis. 2007;251(1):189—194. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2007.06.029

14. Kwak J.H., Hu J., Mei D., Yi C., Kim D.H., Peden C.H.F., Allard L., Szanyi J. Coordinatively unsaturated Al3+ centers as binding sites for active catalyst phases of platinum on γ-Al2O3. Science. 2009;325:1670—1673. https://doi.org/10.1126/science.1176745

15. Lee J., Jang E.J., Kwak J.H. Effect of number and properties of specific sites on alumina surfaces for Pt—Al2O3 catalysts. Applied Catalysis, A: General. 2018;569:16833. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2018.10.004

16. Wang Ya., Pei С., Wang X., Sun G., Zhao Z., Gong J. The role of pentacoordinate Al3+ sites of Pt/Al2O3 catalysts in propane dehydrogenation. Fundamental Research. 2022;388:4—13. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.08.020

17. Wang Z., Jiang Y., Jin F., Stampfl C., Hunger M., Baiker A., Huang J. Strongly enhanced acidity and activity of amorphous silica—alumina by formation of pentacoordinated AlV species. Journal of Catalysis. 2019;372:1—7. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.02.007

18. Иванова А.С., Мелгунов М.С. Оксид алюминия: применение, способы получения, структура и кислотно-основные свойства. М.: Калвис, 2009. 105 с.

19. Пахомов Н.А. Научные основы приготовления катализаторов: введение в теорию и практику. Новосибирск: СБ РАС, 2011. 261 с.

20. Levin I., Bendersky L.A., Brandon D.G., Rühle M. Cubic to monoclinic phase transformations in alumina. Acta Materialia. 1997;45:3659—3669. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00040-2

21. Ivanova A.S., Litvak G.S., Kryukova G.N., Tsybulya S.V., Paukshtis E.A. Real structure of metastable forms of aluminum oxide. Kinetics and Catalysis. 2000;41:137—141. https://doi.org/10.1007/BF02756150

22. Anna K.К., Bogireddy K.R., Agarwal V., Bon R.R. Synthesis of α and γ phase of aluminium oxide nanoparticles for the photocatalytic degradation of methylene blue under sunlight: A comparative study. Materials Letters. 2022;317: 132085. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132085

23. Kureti S., Weisweiler W. A new route for the synthesis of high surface area γ-aluminium oxide xerogel. Applied Catalysis, A: General. 2002;225:251—259. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(01)00870-5

24. Fernandes E.P., Silva T.S., Carvalho C.M., Selvasembian R., Chaukura N., Oliveira L.M.T.M., Meneghetti S.M.P., Meili L. Efficient adsorption of dyes by γ-alumina synthesized from aluminum wastes: Kinetics, isotherms, thermodynamics and toxicity assessment. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021;9:106198. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106198

25. Mahinroosta M., Allahverdi A. Production of high purity α- and γ-alumina from aluminum dross. Encyclopedia of Renewable and Sustainable Materials Engeneering. 2020;2:473—482. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-803581-8.11473-0