《Angew》高温转变Al2O3的量化及其相变

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γ‐Al2O3的高温处理可以形成一系列的多态形变，包括形成δ‐Al2O3和θ‐Al2O3。由于这两个阶段都存在高度的结构紊乱，因此，要对形成的δ‐Al2O3和θ‐Al2O3范围内的微观结构进行量化是一项艰巨的挑战。

近日，来自美国西北太平洋国家实验室的Libor Kovarik & Mark Bowden等研究者使用XRD的递推叠加形式探索了高温转变氧化铝的量化。研究者制定了递归叠加法，用于建模δ‐Al2O3的无序和θ‐Al2O3的孪晶，结果表明准确地解释无序对于可靠地建模高温过渡氧化铝的XRD模式是非常必要的。相关论文以题为“Quantification of High Temperature Transition Al2O3 and Their Phase Transformations”发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

论文链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202009520

过渡氧化铝代表了一组重要的材料，使用在许多技术领域。例如，过渡氧化铝可用作催化剂和催化载体。为了使过渡氧化铝的诱人性能合理化，并最终了解如何为特定的催化应用定制这些性能，大量的研究都集中在对过渡氧化铝的结晶学、结构和表面的理解上。对于从薄铝石热处理中获得的过渡氧化铝，其微观结构通常用γ-, δ-和θ-Al2O3来描述。如果热处理温度在700-800℃以下，则组织为γ-Al2O3。在800℃以上时，结构拓扑重组为δ-和θ-Al2O3的结构形式。

过渡氧化铝的相形成和稳定性是目前研究的热点。众所周知，δ-Al2O3的形成需要较少的热激活，而θ-Al2O3更稳定，在950-1000℃的高温下，动力学因素的作用较小，是首选的类型。因此，δ-和θ-Al2O3的形成通常用热处理温度来表示。但现在人们意识到，这样的描述可能不能令人满意地捕捉微结构演变的复杂性。δ-Al2O3和θ-Al2O3可以在一个较宽的温度范围内共存于一个共同的微观结构中，而且，不断变化的结构可以包含一个包含δ-和θ-Al2O3键合环境的中间态。此外，研究还表明，θ-Al2O3的形成可直接绕过生成δ-Al2O3，而可直接由γ-Al2O3得到。由于δ-和θ-Al2O3的结构都具有复杂的晶体学，并能适应高度的结构紊乱，在相变过程中，对组织演变的可靠量化和跟踪是提高人类对高温转变氧化铝的理解的主要限制。

传统的XRD或NMR方法并不能清晰地解释无序现象，因此不适合对这些复杂体系进行结构分析。为了探讨高温转变氧化铝的稳定性和转变机理，本文探讨了采用递推叠加XRD对其定量分析的可能性。递推堆积XRD技术已经开发用于分析平面无序，因此它适用于分析δ/θ-Al2O3微观结构中的主要无序。在δ-Al2O3中，这种紊乱主要源于4个δx-Al2O3变异的平面共生。在θ-Al2O3中，主要有两种叠加结构无序。目前，递归堆积法已广泛应用于沸石、氧化物、SiC和高岭石的孪晶和无序结构以及其他已知的平面缺陷结构的表征/定量分析。

研究者利用递归叠加方法研究了高温(1050℃)处理过程中的相变。发现，两种不同的δ-Al2O3共生方式具有不同的转化特性，即使在长时间的高温暴露下，也有相当一部分δ-Al2O3可以被θ-Al2O3稳定下来。通过解释平面无序，可推导出单个组分的体积分数及其共生/孪晶水平，这代表了理解相变机制的关键结构参数。然而，在高温氧化铝的微观结构中，平面的无序并不是唯一的无序类型。还存在其他类型的无序，特别是在微观结构转变的早期阶段。此外，研究者概述了现有的XRD方法的局限性，并讨论了一种可能的多模态XRD和NMR方法，以改善对复杂过渡铝的分析。

图1 在δ/θ-Al2O3稳定区过渡氧化铝的组成示意图。。

图2 δ1--Al2O3和δ2--Al2O3结构共生的形成。

图3 比较基于递归形式和使用单个相的线性组合的传统形式的XRD改进。

图4 (a) 1050℃，8h (b) 1050℃，48h)热处理样品的Rietveld拟合准则对δ2,3-Al2O3和θ-Al2O3无序的依赖性。

图5 高温氧化铝的结构演化

图6 相关高温氧化铝的微观结构

综上所述，研究者证明了递归堆叠法用于量化高温转变铝在δ-Al2O3/θ-Al2O3稳定范围内的有效性。与此同时，研究者指出了使用递归堆积方法进行量化的局限性，并为过渡氧化铝的可能的多模态XRD和NMR分析概述了未来的方向。（文：水生）