上一篇帖子我們應該關注α氧化鋁的什么品質?（點我相關閱讀）針對促進氧化鋁α相形成等相關問題做了介紹，本篇將來談談一個需要抑制氧化鋁α相形成應用方向及意義。下文請跟著小編天馬行空了解一下據說用量占比約60-70%的催化劑載體：氧化鋁。

↑↑勃姆石粉體

氧化鋁是氫氧化鋁脫水的產物，各種氫氧化鋁，三水鋁石Al(OH)3、軟水鋁石（γ-AlOOH，勃姆石，薄水鋁石，一軟水鋁石）、擬薄水鋁石、或γ氧化鋁（α氧化鋁的前驅體）等在一定溫度下煅燒后獲得。一般來說，這些前驅體在沒有添加物存在的時候，當加溫溫度達到1200℃之時他們都可以轉化為熱力學穩定的α氧化鋁。當然，在有添加劑存在的情況下，前驅體最終轉化為α氧化鋁的溫度可能更低或者更高，當我們其在較低溫度下轉晶的時候，添加礦化劑如氟化物或鋇鹽等是一種常用的手段。當希望提高過渡態氧化鋁的熱穩定性，或希望制備具有特定孔徑分布或比表面的復合相氧化鋁時，可以通過在其中加入某些元素如稀土等，以提高過渡態氧化鋁的熱穩定性。

↑↑不同鋁源得到的氧化鋁再焙燒過程中的晶型變化

氧化鋁在催化劑中的應用

在談氧化鋁載體之前不得不談一下化學反應及催化劑科學，畢竟載體是為催化過程服務的。在現代石油化工及化學工業中，90%以上的化學反應是通過催化劑實現的，催化技術與催化科學已成為當代石油化工或化學工業的基石與支柱。無論是煉油、石油化工還是精細化工所使用的固體催化劑（一般由活性組分、助催化劑及載體組成），都需要使用載體，載體的性能對催化劑活性、選擇性、傳熱與傳質性能以及使用壽命和降低生產成本都有巨大影響。載體不僅起著固體催化劑中負載活性組分及助催化劑的作用，還賦予催化劑機械強度，適宜的形狀、粒度和有效的孔結構及比表面積。催化劑載體有很多種材料，本文談論對象為量最大的氧化鋁載體。

↓↓部分載體的比表面積及孔體積

↓↓七大類工業催化劑（大多數是固體催化劑）

↓↓固體催化劑及其材料示例

在氧化鋁載體的研究中，1、一種情況是對于活性氧化鋁載體(非α-Al₂O₃載體)，一般需要提高其熱穩定性，以使催化劑在使用過程中可以保持穩定的物理化學性質，此時需要在氧化鋁中加入稀土元素或堿土金屬元素；2、另一種情況是需要在較低溫度下使氧化鋁轉化為熱力學上最穩定的相態α-Al₂O₃(如果將焙燒溫度提高至1200℃，會對能耗及窯爐的，低溫轉化有利于降低催化劑載體制備成本)，此時需要在氧化鋁中添加礦化劑，如氟化物等，比如在乙烯氧化制環氧乙烷催化劑時就需要這樣做，再如制備氧化鋁陶瓷時也需要這樣做。3、此外，有時在氧化鋁載體的制備中，不僅需要將其轉化為熱力學上最穩定的α-Al₂O₃，而且需要其保持較高的比表面積，此時就需要在載體中加入熱穩定劑如稀土元素或堿土金屬元素，這樣就可以在較高的焙燒溫度下，制得具有較高比表面積的氧化鋁載體。

↓↓活性氧化鋁載體

α-Al₂O₃是惰性的，比表面積小于0.01m2/g直至50m2/g均能生產。孔體積0.1~0.3mL/g之間，在需要微小活性或承受高溫時可使用這種氧化鋁。γ-Al₂O₃在催化領域中使用最多，改變比表面積和孔體積可以制得多種型號的產品，控制制備條件，可以制得比表面積和孔體積都很高的產品(每克的內表面積可高達數百平方米)。另外η、χ、κ、θ、δ等晶型的氧化鋁在催化劑領域也有各自的應用范疇。當然還有不太正經的氧化鋁與堿金屬或堿土金屬構成的復合氧化物β-系列氧化鋁也是可以作為催化劑載體使用的。萬千應用多品種氧化鋁，單單就催化劑載體領域的應用就夠你震驚了吧！

如何提高活性氧化鋁的熱穩定性

γ晶型氧化鋁由于比表面積大、晶相溫度范圍廣、表面又具備酸性等特性被稱作為“活性氧化鋁”，被廣泛用作為催化劑的載體。但對于汽車尾氣凈化催化、燃燒等高溫反應體系，在實際操作中催化劑床層的溫度常常≥1000℃。氧化鋁的高溫燒結及其相變引起比表面積下降、孔結構被破壞、以其制備的催化劑易結焦失活等問題，嚴重降低了催化劑的性。

↑↑氧化鋁載體催化劑高溫燒結

燒結是氧化鋁表面能降低和顆粒長大過程，燒結是氧化鋁顆粒失去比表面的一個重要因素，同時燒結的過程氧化鋁的晶型也會隨溫度發生變化。氧化鋁中存在很多四面體和八面體空位，且表面鋁粒子配位不飽和，在高溫和水蒸氣存在時空位變得很活潑，氧化鋁粒子間羥基發生反應，導致比表面積降低并最終轉化為α相。

#改善氧化鋁熱穩定性的方式1#研究表明對氧化鋁進行擴孔處理可從空間角度降低催化劑表面的結焦失活程度，擴孔改性可改善傳質、提高活性位點的有效利用率、增強抗結焦性能。擴孔方法主要有自組裝法、水熱處理法、擴孔劑法。

1、擴孔劑法

擴孔劑法是傳統的擴孔方式，通過在前驅體中加入特定擴孔劑，高溫下擴孔劑會分解成氣體逸出，其占據的空間空缺出來形成孔。利用擴孔劑法可通過使用粒徑適宜的擴孔劑控制合成載體的孔徑分布。但所制氧化鋁載體孔道較彌散、強度較低。

2、水熱處理法

水熱處理法是目前普遍使用的擴孔方法，但反應需在高壓反應釜中進行，存在一定安全隱患，且工業生產中對設備要求高、生產條件苛刻。

3、自組裝法

利用有機物和無機物分子的氫鍵、靜電、范德華力及疏水親脂等作用，自發構筑成具有一定結構和形狀的集合體的方法。利用有機物和無機物的自組裝反應可獲得具有多孔結構的催化材料，孔徑分布較集中，孔道排列有序且形貌可修飾。自組裝得到多孔材料的關鍵是模板技術，該技術將具有一定空間結構的材料作為模板加入原料中，通過后處理去除模板，使氧化鋁具有模板粒徑的孔道。技術難度大，進步空間大。

#改善氧化鋁熱穩定性的方式2#此外在改善制備條件下，外來添加劑的引入能有效地去除氧化鋁表面羥基和陰、陽離子空穴（配位不飽和），抑制氧化鋁的高溫燒結和α相變，從而達到提高氧化鋁熱穩定性的目的。在氧化鋁結構（表面）中引入某些陽離子對γ氧化鋁的燒結和相變具有顯著影響。

改善氧化鋁熱穩定性的添加劑主要分為四大類：稀土金屬氧化物、堿（土）金屬氧化物、其它金屬氧化物和非金屬氧化物。

1、稀土元素

稀土元素是典型的金屬元素，由ⅢB族元素和鑭系元素組成。稀土元素由于其特殊的外層電子分布、較大的離子半徑、較高的熔點及較高的化學活性等性能，使其在催化行業、半導體行業、磁性材料行業、發光和激光材料行業、儲氫材料及超導材料行業有著極其重要的用途。

加入稀土元素能提高載體的熱穩定性、機械性能和抗高溫氧化性，且能調節載體表面酸度，稀土元素La³⁺、Ce⁴⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺都能穩定氧化鋁的結構，其中，La³⁺和Ce⁴⁺是最常用也是研究最多的改性元素，眾多資料表明La³⁺的效果確實不錯。

氧化鋁燒結模型：第一排不加稀土，第二排加稀土

2、堿土金屬

堿土金屬氧化物同樣被發現能夠穩定氧化鋁的結構，具有穩定氧化鋁作用的堿土金屬有Ba2+、Sr2+、Ca²⁺和Mg²⁺等，其中Ba改性的氧化鋁最穩定。具體作用機理可參考文獻1。

3、其他金屬氧化物

TiO₂具有良好的酸性、抗積炭性和抗中毒能力等優異特性，但比表面積和孔容較小且熱穩定性較差。在鈦改性的氧化鋁載體中，鈦離子以嵌入模式插入氧化鋁的八面體空位中，并形成八面體配位結構。

ZrO₂因具有優異的表面化學性質、耐熱性和耐腐蝕性而備受關注，鋯改性的氧化鋁載體穩定性高，表面酸性降低，對很多反應如環己烷氧化制備環己酮和環己醇等有積極的影響，用其制備的催化劑具有活性高、穩定性高等優點。

4、非金屬氧化物

非金屬氧化物改性研究最多的是SiO₂改性的氧化鋁，SiO₂可消除氧化鋁表面的羥基，抑制氧化鋁進一步晶化，從而有效抑制相變和燒結。因此，SiO₂改性的氧

化鋁熱穩定性較強。

添加不同助劑改性氧化鋁的機理不同，高溫無水存在時可添加稀土金屬、堿(土)金屬或Ti和Zr等氧化物，其作用原理是分散態的氧化物抑制了氧化鋁的燒結和相變；高溫有水蒸氣存在時可添加非金屬氧化物，其原理是氧化物消除了氧化鋁表面的羥基。因此在工業應用中，需根據實際反應體系選擇合適的改性劑。

相關閱讀：

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2、SB粉又貴又難買？試試他家的這款擬薄水鋁石

參考資料：

1、氧化鋁熱穩定性的研究進展；化學通報[J]；劉勇，陳曉銀；復旦大學環境科學與工程系。

2、氧化鋁載體改性及其應用研究進展；過程工程學報[J]；孫克寧①，馬茜茜①，侯瑞君①，李敏香①，張春剛②；①北京理工大學化學與化工學院，②中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司。

3、催化劑載體制備及應用技術（第二版），朱洪法編著，石油工業出版社。

編輯：粉體圈小白