იშვიათმიწა მოდიფიცირებული მეზოფოროვანი ალუმინის ოქსიდის გამოყენების პროგრესი

არასილიციუმის ოქსიდებს შორის, ალუმინის ოქსიდს აქვს კარგი მექანიკური თვისებები, მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა და კოროზიისადმი მდგრადობა, ხოლო მეზოფოროვან ალუმინის ოქსიდს (MA) აქვს რეგულირებადი ფორების ზომა, დიდი სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი, ფორების დიდი მოცულობა და დაბალი წარმოების ღირებულება, რაც ფართოდ გამოიყენება კატალიზში, წამლის კონტროლირებად გამოთავისუფლებაში, ადსორბციასა და სხვა სფეროებში, როგორიცაა ნავთობის ნედლეულის კრეკინგი, ჰიდროკრეკინგი და ჰიდროგოგირდიზაცია. მიკროფოროვანი ალუმინის ოქსიდი ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში, მაგრამ ის პირდაპირ გავლენას ახდენს ალუმინის ოქსიდის აქტივობაზე, ექსპლუატაციის ვადასა და კატალიზატორის სელექციურობაზე. მაგალითად, ავტომობილის გამონაბოლქვის გაწმენდის პროცესში, ძრავის ზეთის დანამატებიდან დალექილი დამაბინძურებლები წარმოქმნიან კოქსს, რაც იწვევს კატალიზატორის ფორების ბლოკირებას, რითაც მცირდება კატალიზატორის აქტივობა. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების გამოყენება შესაძლებელია ალუმინის ოქსიდის მატარებლის სტრუქტურის რეგულირებისთვის MA-ს წარმოქმნით. აუმჯობესებს მის კატალიზურ მუშაობას.

MA-ს აქვს შემზღუდველი ეფექტი და აქტიური ლითონები დეაქტივირდება მაღალტემპერატურულ კალცინაციის შემდეგ. გარდა ამისა, მაღალტემპერატურულ კალცინაციის შემდეგ, მეზოფოროვანი სტრუქტურა იშლება, MA ჩონჩხი ამორფულ მდგომარეობაშია და ზედაპირის მჟავიანობა ვერ აკმაყოფილებს ფუნქციონალიზაციის სფეროში მის მოთხოვნებს. მოდიფიკაციის დამუშავება ხშირად საჭიროა MA მასალების კატალიზური აქტივობის, მეზოფოროვანი სტრუქტურის სტაბილურობის, ზედაპირის თერმული სტაბილურობის და ზედაპირის მჟავიანობის გასაუმჯობესებლად. მოდიფიკაციის საერთო ჯგუფებში შედის ლითონის ჰეტეროატომები (Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Pt, Zr და ა.შ.) და ლითონის ოქსიდები (TiO2, NiO, Co3O4, CuO, Cu2O, RE2O7 და ა.შ.), რომლებიც დატვირთულია MA-ს ზედაპირზე ან დოპირებულია ჩონჩხში.

იშვიათმიწა ელემენტების სპეციალური ელექტრონული კონფიგურაცია მის ნაერთებს განსაკუთრებულ ოპტიკურ, ელექტრულ და მაგნიტურ თვისებებს ანიჭებს და გამოიყენება კატალიზურ მასალებში, ფოტოელექტრულ მასალებში, ადსორბციულ მასალებსა და მაგნიტურ მასალებში. იშვიათმიწა ელემენტების მოდიფიცირებულ მეზოფოროვან მასალებს შეუძლიათ მჟავას (ტუტე) თვისების რეგულირება, ჟანგბადის ვაკანსიის გაზრდა და ლითონის ნანოკრისტალური კატალიზატორის სინთეზირება ერთგვაროვანი დისპერსიით და სტაბილური ნანომეტრიული მასშტაბით. შესაბამისი ფოროვანი მასალები და იშვიათმიწა ელემენტები აუმჯობესებენ ლითონის ნანოკრისტალების ზედაპირულ დისპერსიას და კატალიზატორების სტაბილურობას და ნახშირბადის დეპონირებისადმი მდგრადობას. ამ ნაშრომში წარმოდგენილი იქნება იშვიათმიწა ელემენტების მოდიფიკაცია და ფუნქციონალიზაცია კატალიზური მუშაობის, თერმული სტაბილურობის, ჟანგბადის შენახვის უნარის, სპეციფიკური ზედაპირის ფართობისა და ფორების სტრუქტურის გასაუმჯობესებლად.

1 მაგისტრის მომზადება

1.1 ალუმინის მატარებლის მომზადება

ალუმინის ოქსიდის მატარებლის მომზადების მეთოდი განსაზღვრავს მისი ფორების სტრუქტურის განაწილებას და მისი მომზადების გავრცელებული მეთოდებია ფსევდობოემიტის (PB) დეჰიდრატაციის მეთოდი და სოლ-გელის მეთოდი. ფსევდობოემიტი (PB) პირველად შემოგვთავაზა კალვეტმა და H+-მა ხელი შეუწყო პეპტიზაციას γ-AlOOH კოლოიდური PB-ის მისაღებად, რომელიც შეიცავს შუალედურ წყალს, რომელიც კალცინირებული და დეჰიდრატირებული იყო მაღალ ტემპერატურაზე ალუმინის ოქსიდის წარმოსაქმნელად. სხვადასხვა ნედლეულის მიხედვით, ის ხშირად იყოფა დალექვის მეთოდად, კარბონიზაციის მეთოდად და სპიროალუმინის ჰიდროლიზის მეთოდად. PB-ის კოლოიდურ ხსნადობაზე გავლენას ახდენს კრისტალურობა და ის ოპტიმიზირებულია კრისტალურობის ზრდასთან ერთად და ასევე გავლენას ახდენს ოპერაციული პროცესის პარამეტრები.

ტუტე ალუმინის ხსნარს, როგორც წესი, დალექვის მეთოდით იღებენ. ალუმინის ხსნარს ტუტე ემატება ან ალუმინის ხსნარს მჟავა ემატება და ილექება ჰიდრატირებული ალუმინის ოქსიდის მისაღებად (ტუტე ალუმინის ნალექი), ან ალუმინის მონოჰიდრატის მისაღებად მჟავა ემატება ალუმინის მონოჰიდრატს, რომელიც შემდეგ ირეცხება, შრება და კალცინდება ტუტე ალუმინის ოქსიდის მისაღებად. დალექვის მეთოდი მარტივი და იაფია, რაც ხშირად გამოიყენება სამრეწველო წარმოებაში, მაგრამ მასზე გავლენას ახდენს მრავალი ფაქტორი (ხსნარის pH, კონცენტრაცია, ტემპერატურა და ა.შ.). უკეთესი დისპერსიულობის მქონე ნაწილაკების მისაღებად პირობები მკაცრია. კარბონიზაციის მეთოდში, Al(OH)3 მიიღება CO2-ისა და NaAlO2-ის რეაქციით, ხოლო ტუტე ალუმინის მიღება შესაძლებელია დაძველების შემდეგ. ამ მეთოდს აქვს მარტივი გამოყენების, მაღალი პროდუქტის ხარისხის, დაბინძურების არარსებობის და დაბალი ღირებულების უპირატესობები, და შეუძლია მაღალი კატალიზური აქტივობის, შესანიშნავი კოროზიისადმი მდგრადობის და მაღალი სპეციფიკური ზედაპირის ფართობის მქონე ალუმინის ოქსიდის მომზადება დაბალი ინვესტიციით და მაღალი შემოსავლიანობით. ალუმინის ალკოქსიდის ჰიდროლიზის მეთოდი ხშირად გამოიყენება მაღალი სისუფთავის ტუტე ალუმინის ოქსიდის მისაღებად. ალუმინის ალკოქსიდი ჰიდროლიზდება ალუმინის ოქსიდის მონოჰიდრატის წარმოსაქმნელად, შემდეგ კი მუშავდება მაღალი სისუფთავის PB-ის მისაღებად, რომელსაც აქვს კარგი კრისტალურობა, ნაწილაკების ერთგვაროვანი ზომა, კონცენტრირებული ფორების ზომის განაწილება და სფერული ნაწილაკების მაღალი მთლიანობა. თუმცა, პროცესი რთულია და მისი აღდგენა რთულია გარკვეული ტოქსიკური ორგანული გამხსნელების გამოყენების გამო.

გარდა ამისა, ლითონების არაორგანული მარილები ან ორგანული ნაერთები ჩვეულებრივ გამოიყენება ალუმინის ოქსიდის პრეკურსორების მოსამზადებლად სოლ-გელის მეთოდით, ხოლო სუფთა წყალი ან ორგანული გამხსნელები ემატება ხსნარების მოსამზადებლად სოლის მისაღებად, რომელიც შემდეგ გელისებრდება, შრება და იწვება. ამჟამად, ალუმინის ოქსიდის მომზადების პროცესი კვლავ გაუმჯობესებულია PB დეჰიდრატაციის მეთოდის საფუძველზე და კარბონიზაციის მეთოდი გახდა ძირითადი მეთოდი სამრეწველო ალუმინის წარმოებისთვის მისი ეკონომიურობისა და გარემოს დაცვის გამო. სოლ-გელის მეთოდით მომზადებულმა ალუმინმა დიდი ყურადღება მიიპყრო მისი უფრო ერთგვაროვანი ფორების ზომის განაწილების გამო, რაც პოტენციური მეთოდია, მაგრამ სამრეწველო გამოყენების რეალიზაციისთვის მისი გაუმჯობესებაა საჭირო.

1.2 MA მომზადება

ჩვეულებრივი ალუმინი ვერ აკმაყოფილებს ფუნქციურ მოთხოვნებს, ამიტომ აუცილებელია მაღალი ხარისხის MA-ს მომზადება. სინთეზის მეთოდები, როგორც წესი, მოიცავს: ნანოჩამოსხმის მეთოდს ნახშირბადის ყალიბით, როგორც მყარი შაბლონით; SDA-ს სინთეზს: აორთქლებით გამოწვეული თვითაწყობის პროცესს (EISA) რბილი შაბლონების, როგორიცაა SDA და სხვა კათიონური, ანიონური ან არაიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების თანაობისას.

1.2.1 EISA პროცესი

რბილი შაბლონი გამოიყენება მჟავე პირობებში, რაც თავიდან აგვაცილებს მყარი მემბრანული მეთოდის რთულ და შრომატევად პროცესს და შესაძლებელს ხდის აპერტურის უწყვეტი მოდულაციის განხორციელებას. EISA-ს მეთოდით MA-ს მომზადებამ დიდი ყურადღება მიიპყრო მისი მარტივი ხელმისაწვდომობისა და რეპროდუცირებადობის გამო. შესაძლებელია სხვადასხვა მეზოფოროვანი სტრუქტურის მომზადება. MA-ს ფორების ზომის რეგულირება შესაძლებელია ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების ჰიდროფობიური ჯაჭვის სიგრძის შეცვლით ან ხსნარში არსებული ალუმინის პრეკურსორისა და ჰიდროლიზის კატალიზატორის მოლური თანაფარდობის რეგულირებით. ამიტომ, EISA, რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც მაღალი ზედაპირის ფართობის MA-სა და მოწესრიგებული მეზოფოროვანი ალუმინის (OMA) ერთსაფეხურიანი სინთეზისა და მოდიფიკაციის სოლ-გელის მეთოდი, გამოყენებულია სხვადასხვა რბილ შაბლონებზე, როგორიცაა P123, F127, ტრიეთანოლამინი (ჩაი) და ა.შ. EISA-ს შეუძლია ჩაანაცვლოს ორგანოალუმინის პრეკურსორების, როგორიცაა ალუმინის ალკოქსიდები და ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების შაბლონები, როგორც წესი, ალუმინის იზოპროპოქსიდი და P123, თანაშეკრების პროცესი მეზოფოროვანი მასალების მისაღებად. EISA პროცესის წარმატებული განვითარება მოითხოვს ჰიდროლიზისა და კონდენსაციის კინეტიკის ზუსტ რეგულირებას სტაბილური ხსნარის მისაღებად და ხსნარში ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მიცელებით წარმოქმნილი მეზოფაზის განვითარების უზრუნველსაყოფად.

EISA პროცესში, არაწყლიანი გამხსნელების (მაგალითად, ეთანოლის) და ორგანული კომპლექსური აგენტების გამოყენებას შეუძლია ეფექტურად შეანელოს ორგანოალუმინის წინამორბედების ჰიდროლიზისა და კონდენსაციის სიჩქარე და გამოიწვიოს OMA მასალების, როგორიცაა Al(OR)3 და ალუმინის იზოპროპოქსიდის თვითაწყობა. თუმცა, არაწყლიან აქროლად გამხსნელებში, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შაბლონები ჩვეულებრივ კარგავენ ჰიდროფილურობას/ჰიდროფობიურობას. გარდა ამისა, ჰიდროლიზისა და პოლიკონდენსაციის შეფერხების გამო, შუალედურ პროდუქტს აქვს ჰიდროფობიური ჯგუფი, რაც ართულებს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების შაბლონთან ურთიერთქმედებას. მხოლოდ მაშინ, როდესაც გამხსნელის აორთქლების პროცესში თანდათან იზრდება ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაცია და ალუმინის ჰიდროლიზისა და პოლიკონდენსაციის ხარისხი, შეიძლება მოხდეს შაბლონისა და ალუმინის თვითაწყობა. ამიტომ, მრავალი პარამეტრი, რომელიც გავლენას ახდენს გამხსნელების აორთქლების პირობებზე და წინამორბედების ჰიდროლიზისა და კონდენსაციის რეაქციაზე, როგორიცაა ტემპერატურა, ფარდობითი ტენიანობა, კატალიზატორი, გამხსნელის აორთქლების სიჩქარე და ა.შ., გავლენას მოახდენს საბოლოო აწყობის სტრუქტურაზე. როგორც ნაჩვენებია ნახ. 1. სოლვოთერმული დახმარებით აორთქლებით ინდუცირებული თვითაწყობის (SA-EISA) მეთოდით სინთეზირებული იქნა მაღალი თერმული სტაბილურობისა და კატალიზური მახასიათებლების მქონე OMA მასალები. სოლვოთერმულმა დამუშავებამ ხელი შეუწყო ალუმინის პრეკურსორების სრულ ჰიდროლიზს მცირე ზომის კლასტერული ალუმინის ჰიდროქსილის ჯგუფების წარმოქმნით, რამაც გააძლიერა ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებსა და ალუმინს შორის ურთიერთქმედება. EISA პროცესში ჩამოყალიბდა ორგანზომილებიანი ექვსკუთხა მეზოფაზა და კალცინირებული იქნა 400℃-ზე OMA მასალის წარმოქმნით. ტრადიციულ EISA პროცესში აორთქლების პროცესს თან ახლავს ორგანოალუმინის პრეკურსორის ჰიდროლიზი, ამიტომ აორთქლების პირობებს მნიშვნელოვანი გავლენა აქვს რეაქციასა და OMA-ს საბოლოო სტრუქტურაზე. სოლვოთერმული დამუშავების საფეხური ხელს უწყობს ალუმინის პრეკურსორის სრულ ჰიდროლიზს და წარმოქმნის ნაწილობრივ კონდენსირებულ კლასტერულ ალუმინის ჰიდროქსილის ჯგუფებს. OMA წარმოიქმნება აორთქლების ფართო დიაპაზონის პირობებში. ტრადიციული EISA მეთოდით მომზადებულ MA-სთან შედარებით, SA-EISA მეთოდით მომზადებულ OMA-ს აქვს უფრო მაღალი ფორების მოცულობა, უკეთესი სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი და უკეთესი თერმული სტაბილურობა. მომავალში, EISA მეთოდის გამოყენება შესაძლებელია ულტრადიციული აპერტურული MA-ს მოსამზადებლად მაღალი გარდაქმნის სიჩქარით და შესანიშნავი სელექციურობით, გამაფხვიერებელი აგენტის გამოყენების გარეშე.

სურ. 1. OMA მასალების სინთეზირების SA-EISA მეთოდის დიაგრამა.

1.2.2 სხვა პროცესები

ტრადიციული MA-ს მომზადება მოითხოვს სინთეზის პარამეტრების ზუსტ კონტროლს მკაფიო მეზოფოროვანი სტრუქტურის მისაღწევად, ხოლო შაბლონური მასალების მოცილება ასევე რთულია, რაც ართულებს სინთეზის პროცესს. ამჟამად, მრავალ ლიტერატურაში აღწერილია MA-ს სინთეზი სხვადასხვა შაბლონებით. ბოლო წლებში კვლევა ძირითადად ფოკუსირებულია MA-ს სინთეზზე გლუკოზის, საქაროზის და სახამებლის გამოყენებით, როგორც შაბლონების, ალუმინის იზოპროპოქსიდის წყალხსნარში გამოყენებით. ამ MA მასალების უმეტესობა სინთეზირდება ალუმინის ნიტრატის, სულფატის და ალკოქსიდისგან, როგორც ალუმინის წყაროებისგან. MA CTAB ასევე შეიძლება მიღებულ იქნას PB-ის, როგორც ალუმინის წყაროს პირდაპირი მოდიფიკაციით. სხვადასხვა სტრუქტურული თვისებების მქონე MA-ს, ანუ Al2O3)-1, Al2O3)-2 და al2o3A, აქვს კარგი თერმული სტაბილურობა. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების დამატება არ ცვლის PB-ის თანდაყოლილ კრისტალურ სტრუქტურას, მაგრამ ცვლის ნაწილაკების დაწყობის რეჟიმს. გარდა ამისა, Al2O3-3-ის წარმოქმნა ხდება ორგანული გამხსნელით PEG სტაბილიზებული ნანონაწილაკების ადჰეზიით ან PEG-ის გარშემო აგრეგაციით. თუმცა, Al2O3-1-ის ფორების ზომის განაწილება ძალიან ვიწროა. გარდა ამისა, მომზადდა პალადიუმზე დაფუძნებული კატალიზატორები სინთეზური მარილმჟავას მატარებლის სახით გამოყენებით. მეთანის წვის რეაქციაში, Al2O3-3-ით შემაკავებელმა კატალიზატორმა კარგი კატალიზური მახასიათებლები აჩვენა.

პირველად, შედარებით ვიწრო ფორების ზომის განაწილების მქონე MA მომზადდა იაფი და ალუმინით მდიდარი ალუმინის შავი წიდის ABD გამოყენებით. წარმოების პროცესი მოიცავს დაბალ ტემპერატურასა და ნორმალურ წნევაზე ექსტრაქციის პროცესს. ექსტრაქციის პროცესში დარჩენილი მყარი ნაწილაკები არ აბინძურებს გარემოს და შეიძლება დაგროვდეს დაბალი რისკის შემცველობით ან ხელახლა გამოყენებულ იქნას შემავსებლად ან აგრეგატად ბეტონის გამოყენებაში. სინთეზირებული MA-ს სპეციფიკური ზედაპირის ფართობია 123~162 მ2/გ, ფორების ზომის განაწილება ვიწროა, პიკური რადიუსია 5.3 ნმ, ხოლო ფორიანობა 0.37 სმ3/გ. მასალა ნანო ზომისაა და კრისტალის ზომა დაახლოებით 11 ნმ-ია. მყარი მდგომარეობის სინთეზი MA-ს სინთეზის ახალი პროცესია, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია რადიოქიმიური შთამნთქმელის მისაღებად კლინიკური გამოყენებისთვის. ალუმინის ქლორიდი, ამონიუმის კარბონატი და გლუკოზის ნედლეული შერეულია 1:1.5:1.5 მოლური თანაფარდობით და MA სინთეზირდება ახალი მყარი მდგომარეობის მექანოქიმიური რეაქციით. 131I-ის თერმული ბატარეის აღჭურვილობაში კონცენტრირებით, კონცენტრაციის შემდეგ 131I-ის საერთო მოსავლიანობა 90%-ია, ხოლო მიღებულ 131I[NaI] ხსნარს აქვს მაღალი რადიოაქტიური კონცენტრაცია (1.7 ტბკ/მლ), რითაც ხორციელდება დიდი დოზის 131I[NaI] კაფსულების გამოყენება ფარისებრი ჯირკვლის კიბოს სამკურნალოდ.

შეჯამებისთვის, მომავალში, მცირე მოლეკულური შაბლონების შემუშავება ასევე შესაძლებელია მრავალდონიანი მოწესრიგებული ფორების სტრუქტურების შესაქმნელად, მასალების სტრუქტურის, მორფოლოგიისა და ზედაპირული ქიმიური თვისებების ეფექტურად კორექტირებისთვის და დიდი ზედაპირის ფართობისა და მოწესრიგებული ჭიაყელას MA-ს გენერირებისთვის. იაფი შაბლონებისა და ალუმინის წყაროების შესწავლა, სინთეზის პროცესის ოპტიმიზაცია, სინთეზის მექანიზმის გარკვევა და პროცესის წარმართვა.

2 MA-ს მოდიფიკაციის მეთოდი

აქტიური კომპონენტების MA მატარებელზე თანაბრად განაწილების მეთოდებია გაჟღენთვა, ადგილზე სინთეზი, დალექვა, იონური გაცვლა, მექანიკური შერევა და დნობა, რომელთა შორის პირველი ორი ყველაზე ხშირად გამოიყენება.

2.1 ადგილზე სინთეზის მეთოდი

ფუნქციურ მოდიფიკაციაში გამოყენებული ჯგუფები ემატება MA-ს მომზადების პროცესში, მასალის ჩონჩხის სტრუქტურის მოდიფიცირებისა და სტაბილიზაციისა და კატალიზური მახასიათებლების გასაუმჯობესებლად. პროცესი ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში. ლიუმ და სხვებმა სინთეზირეს Ni/Mo-Al2O3 ადგილზე P123-ის გამოყენებით, როგორც შაბლონის. როგორც Ni, ასევე Mo გაიფანტა მოწესრიგებულ MA არხებში, MA-ს მეზოფოროვანი სტრუქტურის დაზიანების გარეშე და კატალიზური მახასიათებლები აშკარად გაუმჯობესდა. სინთეზირებულ გამა-al2o3 სუბსტრატზე ადგილზე ზრდის მეთოდის გამოყენებით, γ-Al2O3-თან შედარებით, MnO2-Al2O3-ს აქვს უფრო დიდი BET სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი და ფორების მოცულობა, ასევე აქვს ბიმოდალური მეზოფოროვანი სტრუქტურა ვიწრო ფორების ზომის განაწილებით. MnO2-Al2O3-ს აქვს სწრაფი ადსორბციის სიჩქარე და მაღალი ეფექტურობა F--სთვის და აქვს ფართო pH გამოყენების დიაპაზონი (pH=4~10), რაც შესაფერისია პრაქტიკული სამრეწველო გამოყენების პირობებისთვის. MnO2-Al2O3-ის გადამუშავების მახასიათებლები უკეთესია, ვიდრე γ-Al2O-ს. სტრუქტურული სტაბილურობა საჭიროებს შემდგომ ოპტიმიზაციას. შეჯამებისთვის, ადგილზე სინთეზით მიღებულ MA მოდიფიცირებულ მასალებს აქვთ კარგი სტრუქტურული წესრიგი, ჯგუფებსა და ალუმინის მატარებლებს შორის ძლიერი ურთიერთქმედება, მჭიდრო კომბინაცია, მასალის დიდი დატვირთვა და კატალიზური რეაქციის პროცესში აქტიური კომპონენტების გამოყოფა ადვილი არ არის, ხოლო კატალიზური მახასიათებლები მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია.

სურ. 2 ფუნქციონალიზებული MA-ს მომზადება ადგილზე სინთეზით

2.2 გაჟღენთვის მეთოდი

მომზადებული MA-ს მოდიფიცირებულ ჯგუფში ჩაძირვით და დამუშავების შემდეგ მოდიფიცირებული MA მასალის მიღებით, კატალიზის, ადსორბციის და სხვა მსგავსი ეფექტების მისაღწევად. კაიმ და სხვებმა MA P123-დან მოამზადეს sol-gel მეთოდით და დაალბეს ეთანოლსა და ტეტრაეთილენპენტამინის ხსნარში, რათა მიეღოთ ამინომოდიფიცირებული MA მასალა ძლიერი ადსორბციული მახასიათებლებით. გარდა ამისა, ბელკასემი და სხვებმა იგივე პროცესით დაალბეს ZnCl2 ხსნარში, რათა მიეღოთ მოწესრიგებული თუთიით დოპირებული მოდიფიცირებული MA მასალები. სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი და ფორების მოცულობა შესაბამისად 394 მ2/გ და 0.55 სმ3/გ-ია. ადგილზე სინთეზის მეთოდთან შედარებით, გაჟღენთვის მეთოდს აქვს უკეთესი ელემენტების დისპერსია, სტაბილური მეზოფოროვანი სტრუქტურა და კარგი ადსორბციული მახასიათებლები, მაგრამ აქტიურ კომპონენტებსა და ალუმინის მატარებელს შორის ურთიერთქმედების ძალა სუსტია და კატალიზურ აქტივობაზე გარე ფაქტორები ხელს უშლიან.

3 ფუნქციური პროგრესი

განსაკუთრებული თვისებების მქონე იშვიათმიწა ლითონების სინთეზი მომავლის განვითარების ტენდენციას წარმოადგენს. ამჟამად, არსებობს სინთეზის მრავალი მეთოდი. პროცესის პარამეტრები გავლენას ახდენს იშვიათმიწა ლითონების მუშაობაზე. იშვიათმიწა ლითონების სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი, ფორების მოცულობა და ფორების დიამეტრი შეიძლება დარეგულირდეს შაბლონის ტიპისა და ალუმინის წინამორბედის შემადგენლობის მიხედვით. კალცინაციის ტემპერატურა და პოლიმერის შაბლონის კონცენტრაცია გავლენას ახდენს იშვიათმიწა ლითონების სპეციფიკურ ზედაპირსა და ფორების მოცულობაზე. სუზუკიმ და იამაუჩიმ აღმოაჩინეს, რომ კალცინაციის ტემპერატურა გაიზარდა 500℃-დან 900℃-მდე. შესაძლებელია აპერტურის გაზრდა და ზედაპირის ფართობის შემცირება. გარდა ამისა, იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიკაციის დამუშავება აუმჯობესებს იშვიათმიწა ლითონების მასალების აქტივობას, ზედაპირის თერმულ სტაბილურობას, სტრუქტურულ სტაბილურობას და ზედაპირის მჟავიანობას კატალიზურ პროცესში და აკმაყოფილებს იშვიათმიწა ლითონების ფუნქციონალიზაციის განვითარებას.

3.1 დეფლუორიზაციის ადსორბენტი

ჩინეთში სასმელ წყალში ფტორის შემცველობა სერიოზულად მავნეა. გარდა ამისა, სამრეწველო თუთიის სულფატის ხსნარში ფტორის შემცველობის ზრდა გამოიწვევს ელექტროდის ფირფიტის კოროზიას, სამუშაო გარემოს გაუარესებას, ელექტრო თუთიის ხარისხის გაუარესებას და გადამუშავებული წყლის რაოდენობის შემცირებას მჟავას წარმოების სისტემაში და სითხისებრი ფენის ღუმელის გამოწვის კვამლის აირის ელექტროლიზის პროცესში. ამჟამად, ადსორბციის მეთოდი ყველაზე მიმზიდველია სველი დეფტორირების გავრცელებულ მეთოდებს შორის. თუმცა, არსებობს გარკვეული ნაკლოვანებები, როგორიცაა დაბალი ადსორბციული უნარი, შეზღუდული ხელმისაწვდომი pH დიაპაზონი, მეორადი დაბინძურება და ა.შ. წყლის დეფტორინაციისთვის გამოიყენება გააქტიურებული ნახშირბადი, ამორფული ალუმინი, გააქტიურებული ალუმინი და სხვა ადსორბენტები, თუმცა ადსორბენტების ღირებულება მაღალია, ხოლო ნეიტრალურ ხსნარში ან მაღალ კონცენტრაციაში F-ის ადსორბციული უნარი დაბალი. გააქტიურებული ალუმინი ფტორის მოსაშორებლად ყველაზე ფართოდ შესწავლილი ადსორბენტი გახდა ნეიტრალური pH-ის დროს ფტორის მიმართ მაღალი აფინურობისა და სელექციურობის გამო, თუმცა ის შეზღუდულია ფტორის დაბალი ადსორბციული უნარით და მხოლოდ pH <6-ზე შეუძლია მას ფტორის კარგი ადსორბციული შესრულება. MA-მ ფართო ყურადღება მიიპყრო გარემოს დაბინძურების კონტროლში მისი დიდი სპეციფიკური ზედაპირის ფართობის, უნიკალური ფორების ზომის ეფექტის, მჟავა-ტუტოვანი მახასიათებლების, თერმული და მექანიკური სტაბილურობის გამო. კუნდუმ და სხვებმა მოამზადეს MA ფტორის მაქსიმალური ადსორბციული უნარით 62.5 მგ/გ. MA-ს ფტორის ადსორბციულ უნარზე დიდ გავლენას ახდენს მისი სტრუქტურული მახასიათებლები, როგორიცაა სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი, ზედაპირის ფუნქციური ჯგუფები, ფორების ზომა და ფორების საერთო ზომა. MA-ს სტრუქტურისა და მახასიათებლების რეგულირება მისი ადსორბციული მახასიათებლების გაუმჯობესების მნიშვნელოვანი გზაა.

La-ს მყარი მჟავასა და ფტორის მყარი ტუტეობის გამო, La-სა და ფტორის იონებს შორის ძლიერი აფინურობაა. ბოლო წლებში ჩატარებულმა ზოგიერთმა კვლევამ აჩვენა, რომ La, როგორც მოდიფიკატორი, შეუძლია გააუმჯობესოს ფტორის ადსორბციული უნარი. თუმცა, იშვიათმიწა ელემენტების ადსორბენტების დაბალი სტრუქტურული სტაბილურობის გამო, ხსნარში უფრო მეტი იშვიათმიწა ელემენტი იჟონება, რაც იწვევს წყლის მეორად დაბინძურებას და ადამიანის ჯანმრთელობისთვის საზიანოა. მეორეს მხრივ, წყლის გარემოში ალუმინის მაღალი კონცენტრაცია ადამიანის ჯანმრთელობისთვის ერთ-ერთი საზიანოა. ამიტომ, აუცილებელია ისეთი კომპოზიტური ადსორბენტის მომზადება, რომელსაც აქვს კარგი სტაბილურობა და არ იწვევს ან ნაკლები გამოჟონვას ფტორის მოცილების პროცესში სხვა ელემენტები. La-თი და Ce-თი მოდიფიცირებული MA მომზადდა გაჟღენთვის მეთოდით (La/MA და Ce/MA). იშვიათმიწა ოქსიდები პირველად წარმატებით იქნა დატვირთული MA ზედაპირზე, რომელსაც უფრო მაღალი დეფტორირების მახასიათებლები ჰქონდა. ფტორის მოცილების ძირითადი მექანიზმებია ელექტროსტატიკური ადსორბცია და ქიმიური ადსორბცია, ზედაპირული დადებითი მუხტის ელექტრონების მიზიდვა და ლიგანდის გაცვლის რეაქცია უერთდება ზედაპირულ ჰიდროქსილს, ადსორბენტის ზედაპირზე ჰიდროქსილის ფუნქციური ჯგუფი წარმოქმნის წყალბადურ ბმას F-თან, La-სა და Ce-ს მოდიფიკაცია აუმჯობესებს ფტორის ადსორბციულ უნარს, La/MA შეიცავს მეტ ჰიდროქსილის ადსორბციულ ადგილს და F-ს ადსორბციული უნარი არის La/MA>Ce/MA>MA რიგის. საწყისი კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, ფტორის ადსორბციული უნარი იზრდება. ადსორბციული ეფექტი საუკეთესოა, როდესაც pH არის 5-9 და ფტორის ადსორბციის პროცესი შეესაბამება ლენგმიურის იზოთერმულ ადსორბციულ მოდელს. გარდა ამისა, ალუმინაში სულფატის იონების მინარევებს ასევე შეუძლიათ მნიშვნელოვნად იმოქმედონ ნიმუშების ხარისხზე. მიუხედავად იმისა, რომ იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიცირებულ ალუმინზე შესაბამისი კვლევები ჩატარდა, კვლევის ძირითადი ნაწილი ადსორბენტის პროცესზეა ფოკუსირებული, რომლის სამრეწველო გამოყენება რთულია. მომავალში, ჩვენ შეგვიძლია შევისწავლოთ ფტორის კომპლექსის დისოციაციის მექანიზმი თუთიის სულფატის ხსნარში და ფტორის იონების მიგრაციის მახასიათებლები, მივიღოთ ეფექტური, დაბალფასიანი და განახლებადი ფტორის იონების ადსორბენტი თუთიის ჰიდრომეტალურგიულ სისტემაში თუთიის სულფატის ხსნარის დეფტორინაციისთვის და შევქმნათ პროცესის კონტროლის მოდელი იშვიათმიწა ლითონების MA ნანო ადსორბენტის საფუძველზე მაღალი ფტორის შემცველობის ხსნარის დასამუშავებლად.

3.2 კატალიზატორი

3.2.1 მეთანის მშრალი რეფორმირება

იშვიათმიწა ნახშირწყლებს შეუძლიათ ფოროვანი მასალების მჟავიანობის (ტუტიანობის) რეგულირება, ჟანგბადის ვაკანსიის გაზრდა და ერთგვაროვანი დისპერსიის, ნანომეტრიული მასშტაბისა და სტაბილურობის მქონე კატალიზატორების სინთეზირება. ის ხშირად გამოიყენება კეთილშობილი ლითონებისა და გარდამავალი ლითონების მხარდასაჭერად CO2-ის მეთანიზაციის კატალიზებისთვის. ამჟამად, იშვიათმიწა ნახშირწყლებით მოდიფიცირებული მეზოფოროვანი მასალები ვითარდება მეთანის მშრალი რეფორმირების (MDR), VOC-ების ფოტოკატალიზური დეგრადაციისა და კუდის აირის გაწმენდის მიმართულებით. კეთილშობილ ლითონებთან (როგორიცაა Pd, Ru, Rh და ა.შ.) და სხვა გარდამავალ ლითონებთან (როგორიცაა Co, Fe და ა.შ.) შედარებით, Ni/Al2O3 კატალიზატორი ფართოდ გამოიყენება მისი მაღალი კატალიზური აქტივობისა და სელექციურობის, მაღალი სტაბილურობისა და მეთანის დაბალი ღირებულების გამო. თუმცა, Ni/Al2O3-ის ზედაპირზე Ni ნანონაწილაკების შეწვა და ნახშირბადის დალექვა იწვევს კატალიზატორის სწრაფ დეაქტივაციას. ამიტომ, კატალიზური აქტივობის, სტაბილურობისა და დამწვრობისადმი მდგრადობის გასაუმჯობესებლად აუცილებელია ამაჩქარებლის დამატება, კატალიზატორის მატარებლის მოდიფიცირება და მომზადების გზის გაუმჯობესება. ზოგადად, იშვიათმიწა ოქსიდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სტრუქტურული და ელექტრონული პრომოუტერები ჰეტეროგენულ კატალიზატორებში, ხოლო CeO2 აუმჯობესებს Ni-ის დისპერსიას და ცვლის მეტალური Ni-ის თვისებებს ლითონის საყრდენთან ძლიერი ურთიერთქმედების გზით.

MA ფართოდ გამოიყენება ლითონების დისპერსიის გასაძლიერებლად და აქტიური ლითონების შეკავებისთვის მათი აგლომერაციის თავიდან ასაცილებლად. მაღალი ჟანგბადის შენახვის უნარის მქონე La2O3 აძლიერებს ნახშირბადის წინააღმდეგობას გარდაქმნის პროცესში, ხოლო La2O3 ხელს უწყობს Co-ს დისპერსიას მეზოფოროვან ალუმინზე, რომელსაც აქვს მაღალი რეფორმირების აქტივობა და მდგრადობა. La2O3 პრომოტორი ზრდის Co/MA კატალიზატორის MDR აქტივობას და Co3O4 და CoAl2O4 ფაზები წარმოიქმნება კატალიზატორის ზედაპირზე. თუმცა, მაღალდისპერსიულ La2O3-ს აქვს 8nm~10nm პატარა მარცვლები. MDR პროცესში, La2O3-სა და CO2-ს შორის ადგილზე ურთიერთქმედებამ წარმოქმნა La2O2CO3 მეზოფაზა, რამაც გამოიწვია CxHy-ის ეფექტური ელიმინაცია კატალიზატორის ზედაპირზე. La2O3 ხელს უწყობს წყალბადის აღდგენას ელექტრონული სიმკვრივის უფრო მაღალი უზრუნველყოფით და ჟანგბადის ვაკანსიის გაზრდით 10%Co/MA-ში. La2O3-ის დამატება ამცირებს CH4 მოხმარების აშკარა აქტივაციის ენერგიას. ამგვარად, CH4-ის გარდაქმნის სიჩქარე 1073 K ტემპერატურაზე 93.7%-მდე გაიზარდა. La2O3-ის დამატებამ გააუმჯობესა კატალიზური აქტივობა, ხელი შეუწყო H2-ის შემცირებას, გაზარდა Co0 აქტიური ცენტრების რაოდენობა, წარმოქმნა ნაკლები დალექილი ნახშირბადი და გაზარდა ჟანგბადის ვაკანტურობა 73.3%-მდე.

Ce და Pr დამაგრებული იყო Ni/Al2O3 კატალიზატორზე ლი სიაოფენგში თანაბარი მოცულობის გაჟღენთვის მეთოდით. ​​Ce-სა და Pr-ის დამატების შემდეგ, H2-ის მიმართ სელექტიურობა გაიზარდა და CO-ს მიმართ სელექტიურობა შემცირდა. Pr-ით მოდიფიცირებულ MDR-ს ჰქონდა შესანიშნავი კატალიზური უნარი და H2-ის მიმართ სელექტიურობა გაიზარდა 64.5%-დან 75.6%-მდე, ხოლო CO-ს მიმართ სელექტიურობა შემცირდა 31.4%-დან. პენგ შუჯინგმა და სხვებმა გამოიყენეს სოლ-გელის მეთოდი, Ce-მოდიფიცირებული MA მომზადდა ალუმინის იზოპროპოქსიდით, იზოპროპანოლის გამხსნელით და ცერიუმის ნიტრატის ჰექსაჰიდრატით. პროდუქტის სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი ოდნავ გაიზარდა. Ce-ს დამატებამ შეამცირა ღეროსებრი ნანონაწილაკების აგრეგაცია MA ზედაპირზე. γ-Al2O3-ის ზედაპირზე არსებული ზოგიერთი ჰიდროქსილის ჯგუფი ძირითადად დაფარული იყო Ce ნაერთებით. MA-ს თერმული სტაბილურობა გაუმჯობესდა და 1000℃-ზე 10 საათის განმავლობაში კალცინაციის შემდეგ კრისტალური ფაზის ტრანსფორმაცია არ მომხდარა. ვანგ ბაოვეი და სხვ. მომზადდა MA მასალა CeO2-Al2O4 თანადალექვის მეთოდით. ​​კუბური პაწაწინა მარცვლებით CeO2 თანაბრად გაიფანტა ალუმინში. Co-სა და Mo-ს CeO2-Al2O4-ზე შენარჩუნების შემდეგ, ალუმინსა და აქტიურ კომპონენტ Co-სა და Mo-ს შორის ურთიერთქმედება ეფექტურად დათრგუნული იქნა CEO2-ით.

იშვიათმიწა ელემენტების პრომოტორები (La, Ce, y და Sm) კომბინირებულია Co/MA კატალიზატორთან MDR-ისთვის და პროცესი ნაჩვენებია ნახ. 3-ში. იშვიათმიწა ელემენტების პრომოტორებს შეუძლიათ გააუმჯობესონ Co-ს დისპერსია MA მატარებელზე და შეაფერხონ Co ნაწილაკების აგლომერაცია. რაც უფრო პატარაა ნაწილაკების ზომა, მით უფრო ძლიერია Co-MA ურთიერთქმედება, მით უფრო ძლიერია კატალიზური და შედუღების უნარი YCo/MA კატალიზატორში და რამდენიმე პრომოტორის დადებითი გავლენა MDR აქტივობასა და ნახშირბადის დეპონირებაზე. ნახ. 4 არის HRTEM სურათი MDR დამუშავების შემდეგ 1023K-ზე, Co2:ch4:N2 = 1 ∶ 1 ∶ 3.1 ტემპერატურაზე 8 საათის განმავლობაში. Co ნაწილაკები არსებობს შავი ლაქების სახით, ხოლო MA მატარებლები - ნაცრისფერი, რაც დამოკიდებულია ელექტრონების სიმკვრივის სხვაობაზე. HRTEM გამოსახულებაზე 10%Co/MA-თი (სურ. 4ბ), Co ლითონის ნაწილაკების აგლომერაცია შეინიშნება ma მატარებლებზე. იშვიათმიწა ნაწილაკების პრომოუტერის დამატება ამცირებს Co ნაწილაკებს 11.0 ნმ~12.5 ნმ-მდე. YCo/MA-ს აქვს ძლიერი Co-MA ურთიერთქმედება და მისი შედუღების მახასიათებლები უკეთესია, ვიდრე სხვა კატალიზატორების. გარდა ამისა, როგორც ნაჩვენებია სურათებზე 4ბ-დან 4ვ-მდე, კატალიზატორებზე წარმოიქმნება ღრუ ნახშირბადის ნანომავთულები (CNF), რომლებიც ინარჩუნებენ კონტაქტს გაზის ნაკადთან და ხელს უშლიან კატალიზატორის დეაქტივაციას.

სურ. 3. იშვიათმიწა ელემენტების დამატების გავლენა Co/MA კატალიზატორის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებზე და MDR კატალიზურ მუშაობაზე

3.2.2 დეოქსიდაციის კატალიზატორი

Fe2O3/Meso-CeAl, Ce-ით დოპირებული Fe-ზე დაფუძნებული დეოქსიდაციის კატალიზატორი, მომზადდა 1-ბუტენის ჟანგვითი დეჰიდროგენაციით CO2-ით, როგორც რბილი ოქსიდანტით და გამოყენებული იქნა 1,3-ბუტადიენის (BD) სინთეზში. Ce მაღალდისპერსიული იყო ალუმინის მატრიცაში, ხოლო Fe2O3/meso მაღალდისპერსიული იყო. Fe2O3/Meso-CeAl-100 კატალიზატორს არა მხოლოდ აქვს მაღალდისპერსიული რკინის სახეობები და კარგი სტრუქტურული თვისებები, არამედ აქვს კარგი ჟანგბადის შენახვის უნარი, ამიტომ მას აქვს CO2-ის კარგი ადსორბციის და გააქტიურების უნარი. როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 5-ში, TEM სურათები აჩვენებს, რომ Fe2O3/Meso-CeAl-100 არის რეგულარული. ეს აჩვენებს, რომ MesoCeAl-100-ის ჭიაყელასებრი არხის სტრუქტურა არის ფხვიერი და ფოროვანი, რაც სასარგებლოა აქტიური ინგრედიენტების დისპერსიისთვის, ხოლო მაღალდისპერსიული Ce წარმატებით არის დოპირებული ალუმინის მატრიცაში. კეთილშობილი ლითონის კატალიზატორის საფარის მასალა, რომელიც აკმაყოფილებს საავტომობილო ტრანსპორტის ულტრადაბალი ემისიის სტანდარტს, აქვს განვითარებული ფორების სტრუქტურა, კარგი ჰიდროთერმული სტაბილურობა და დიდი ჟანგბადის შენახვის უნარი.

3.2.3 სატრანსპორტო საშუალებების კატალიზატორი

ავტომობილის კატალიზატორის საფარის მასალების მისაღებად Pd-Rh-ით შენარჩუნებული მეოთხეული ალუმინზე დაფუძნებული იშვიათმიწა კომპლექსები AlCeZrTiOx და AlLaZrTiOx. მეზოფოროვანი ალუმინზე დაფუძნებული იშვიათმიწა კომპლექსები Pd-Rh/ALC წარმატებით შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც CNG ავტომობილის გამონაბოლქვის გამწმენდი კატალიზატორი კარგი გამძლეობით, ხოლო CH4-ის, CNG ავტომობილის გამონაბოლქვი აირების მთავარი კომპონენტის, გარდაქმნის ეფექტურობა 97.8%-ს აღწევს. გამოყენებული იქნა ჰიდროთერმული ერთსაფეხურიანი მეთოდი იშვიათმიწა აირების კომპოზიტური მასალის მოსამზადებლად თვითაწყობის განსახორციელებლად. სინთეზირებული იქნა მეტასტაბილური მდგომარეობისა და მაღალი აგრეგაციის მქონე მეზოფოროვანი წინამორბედები და RE-Al-ის სინთეზი შეესაბამებოდა „ნაერთის ზრდის ერთეულის“ მოდელს, რითაც განხორციელდა ავტომობილის გამონაბოლქვის პოსტზე დამონტაჟებული სამმხრივი კატალიზატორის გაწმენდა.

ნახ. 4 ma (a), Co/MA(b), LaCo/MA(c), CeCo/MA(d), YCo/MA(e) და SmCo/MA(f) HRTEM სურათები

სურ. 5. Fe2O3/Meso-CeAl-100-ის TEM გამოსახულება (A) და EDS ელემენტის დიაგრამა (b,c).

3.3 მანათობელი შესრულება

იშვიათმიწა ელემენტების ელექტრონები ადვილად აღიგზნება სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეს შორის გადასვლისას და სინათლეს გამოყოფენ. იშვიათმიწა ელემენტების იონები ხშირად გამოიყენება აქტივატორებად ლუმინესცენტური მასალების მოსამზადებლად. იშვიათმიწა ელემენტების იონების ალუმინის ფოსფატის ღრუ მიკროსფეროების ზედაპირზე ჩატვირთვა შესაძლებელია თანადალექვის მეთოდით და იონური გაცვლის მეთოდით, ხოლო ლუმინესცენტური მასალების AlPO4∶RE(La,Ce,Pr,Nd) მომზადება შესაძლებელია. ლუმინესცენტური ტალღის სიგრძე ულტრაიისფერ რეგიონშია. MA-დან თხელი ფენები წარმოიქმნება მისი ინერციის, დაბალი დიელექტრიკული მუდმივასა და დაბალი გამტარობის გამო, რაც მას გამოსადეგს ხდის ელექტრო და ოპტიკურ მოწყობილობებში, თხელ ფენებში, ბარიერებში, სენსორებში და ა.შ. მისი გამოყენება ასევე შესაძლებელია ერთგანზომილებიანი ფოტონური კრისტალების, ენერგიის გენერირებისა და ანტიარეკლილი საფარების აღსაქმელად. ეს მოწყობილობები წარმოადგენს დაწყობილ ფენებს განსაზღვრული ოპტიკური გზის სიგრძით, ამიტომ აუცილებელია რეფრაქციული ინდექსისა და სისქის კონტროლი. ამჟამად, ასეთი მოწყობილობების დასაპროექტებლად და ასაგებად ხშირად გამოიყენება ტიტანის დიოქსიდი და ცირკონიუმის ოქსიდი მაღალი რეფრაქციული ინდექსით და სილიციუმის დიოქსიდი დაბალი რეფრაქციული ინდექსით. სხვადასხვა ზედაპირული ქიმიური თვისებების მქონე მასალების ხელმისაწვდომობის დიაპაზონი გაფართოვდა, რაც შესაძლებელს ხდის თანამედროვე ფოტონური სენსორების დაპროექტებას. ოპტიკური მოწყობილობების დიზაინში MA და ოქსიჰიდროქსიდის ფირების დანერგვა დიდ პოტენციალს აჩვენებს, რადგან მათი გარდატეხის ინდექსი სილიციუმის დიოქსიდის მსგავსია. თუმცა, ქიმიური თვისებები განსხვავებულია.

3.4 თერმული სტაბილურობა

ტემპერატურის მატებასთან ერთად, სინთეზირება სერიოზულად მოქმედებს MA კატალიზატორის გამოყენების ეფექტზე, ხოლო სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი მცირდება და γ-Al2O3-ის კრისტალური ფაზა გარდაიქმნება δ და θ-დან χ ფაზებად. იშვიათმიწა მასალებს აქვთ კარგი ქიმიური და თერმული სტაბილურობა, მაღალი ადაპტირება და ადვილად ხელმისაწვდომი და იაფი ნედლეული. იშვიათმიწა ელემენტების დამატებას შეუძლია გააუმჯობესოს მატარებლის თერმული სტაბილურობა, მაღალ ტემპერატურაზე დაჟანგვისადმი მდგრადობა და მექანიკური თვისებები, ასევე შეცვალოს მატარებლის ზედაპირული მჟავიანობა. La და Ce ყველაზე ხშირად გამოყენებული და შესწავლილი მოდიფიკაციის ელემენტებია. ლუ ვეიგუანგმა და სხვებმა აღმოაჩინეს, რომ იშვიათმიწა ელემენტების დამატება ეფექტურად აფერხებს ალუმინის ნაწილაკების მასობრივ დიფუზიას, La და Ce იცავენ ჰიდროქსილის ჯგუფებს ალუმინის ოქსიდის ზედაპირზე, აფერხებენ სინთეზირებას და ფაზურ ტრანსფორმაციას და ამცირებენ მეზოფოროვანი სტრუქტურის მაღალი ტემპერატურის დაზიანებას. მომზადებულ ალუმინს კვლავ აქვს მაღალი სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი და ფორების მოცულობა. თუმცა, იშვიათმიწა ელემენტის ძალიან ბევრი ან ძალიან ცოტა რაოდენობა ამცირებს ალუმინის ოქსიდის თერმულ სტაბილურობას. ლი იანკიუ და სხვ. γ-Al2O3-ს დაემატა 5% La2O3, რამაც გააუმჯობესა თერმული სტაბილურობა და გაზარდა ალუმინის ოქსიდის მატარებლის ფორების მოცულობა და სპეციფიკური ზედაპირის ფართობი. როგორც ნახაზი 6-დან ჩანს, La2O3-ს დაემატა γ-Al2O3, რაც აუმჯობესებს იშვიათმიწა კომპოზიტური მატარებლის თერმულ სტაბილურობას.

ნანობოჭკოვანი ნაწილაკების La-თი MA-მდე დოპირების პროცესში, MA-La-ს BET ზედაპირის ფართობი და ფორების მოცულობა უფრო მაღალია, ვიდრე MA-ს, როდესაც თერმული დამუშავების ტემპერატურა იზრდება, ხოლო La-თი დოპირებას აშკარა შემაფერხებელი ეფექტი აქვს მაღალ ტემპერატურაზე სინთეზირებაზე. როგორც ნაჩვენებია ნახ. 7-ზე, ტემპერატურის მატებასთან ერთად, La აფერხებს მარცვლის ზრდისა და ფაზური ტრანსფორმაციის რეაქციას, ხოლო ნახ. 7ა და 7გ აჩვენებს ნანობოჭკოვანი ნაწილაკების დაგროვებას. ნახ. 7ბ-ზე, 1200℃-ზე კალცინაციით წარმოქმნილი დიდი ნაწილაკების დიამეტრი დაახლოებით 100 ნმ-ია. ეს მიუთითებს MA-ს მნიშვნელოვან სინთეზირებაზე. გარდა ამისა, MA-1200-თან შედარებით, MA-La-1200 არ აგრეგირდება თერმული დამუშავების შემდეგ. La-ს დამატებით, ნანობოჭკოვან ნაწილაკებს უკეთესი სინთეზირების უნარი აქვთ. კალცინაციის მაღალ ტემპერატურაზეც კი, დოპირებული La კვლავ ძლიერად არის გაფანტული MA ზედაპირზე. La-თი მოდიფიცირებული MA შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც Pd კატალიზატორის მატარებელი C3H8 დაჟანგვის რეაქციაში.

სურ. 6. ალუმინის ოქსიდის შედუღების სტრუქტურული მოდელი იშვიათმიწა ელემენტებით და მის გარეშე

ნახ. 7 MA-400 (a), MA-1200 (b), MA-La-400 (c) და MA-La-1200 (d) TEM სურათები

4 დასკვნა

წარმოდგენილია იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიცირებული მინერალური მარილების მომზადებისა და ფუნქციური გამოყენების პროგრესი. იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიცირებული მინერალური მარილები ფართოდ გამოიყენება. მიუხედავად იმისა, რომ კატალიზური გამოყენების, თერმული სტაბილურობისა და ადსორბციის მიმართულებით უამრავი კვლევა ჩატარდა, ბევრ მასალას აქვს მაღალი ღირებულება, დაბალი დოპირების რაოდენობა, ცუდი რიგი და ძნელია მათი ინდუსტრიალიზაცია. მომავალში შემდეგი სამუშაოები უნდა ჩატარდეს: იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიცირებული მინერალური მარილების შემადგენლობისა და სტრუქტურის ოპტიმიზაცია, შესაბამისი პროცესის შერჩევა, ფუნქციური განვითარების მოთხოვნების დაკმაყოფილება; ფუნქციურ პროცესზე დაფუძნებული პროცესის კონტროლის მოდელის შექმნა ხარჯების შესამცირებლად და სამრეწველო წარმოების რეალიზებისთვის; ჩინეთის იშვიათმიწა ლითონების რესურსების უპირატესობების მაქსიმალურად გამოყენების მიზნით, უნდა შევისწავლოთ იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიკაციის მექანიზმი, გავაუმჯობესოთ იშვიათმიწა ლითონების მოდიფიცირებული მინერალური მარილების მომზადების თეორია და პროცესი.

დაფინანსების პროექტი: შანქსის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების საერთო ინოვაციის პროექტი (2011KTDZ01-04-01); შანქსის პროვინციის 2019 წლის სპეციალური სამეცნიერო-კვლევითი პროექტი (19JK0490); ჰუაქინგის კოლეჯის, სი ანის არქიტექტურისა და ტექნოლოგიების უნივერსიტეტის 2020 წლის სპეციალური სამეცნიერო-კვლევითი პროექტი (20KY02)

წყარო: იშვიათი დედამიწა