文 章 简 介
2022年，莱斯大学James M. Tour、赵玉峰团队在国际知名期刊《nature communications》期刊发表题为“High-surface-area corundum nanoparticles by resistive hotspot-induced phase transformation”的论文。本研究报道了一种通过脉冲直流焦耳加热γ-Al2O3制备脱水α-Al2O3纳米颗粒的新方法。该方法通过在约573 K的降低的块体温度和小于1秒的时间内完成相变，通过中间δ'-Al2O3相。数值模拟揭示了脉冲电流过程中由电阻热点引起的局部加热使快速转变成为可能。理论计算显示，拓扑相变（从γ-到δ'-再到α-Al2O3）是由它们表面能差异驱动的。所得α-Al2O3纳米颗粒烧结成纳米晶陶瓷，其硬度优于商业氧化铝并接近蓝宝石。
图 文 导 读
图1: 展示了脉冲直流（PDC）焦耳加热实现氧化铝超快相变的示意图和XRD图谱。a部分为PDC装置示意图，显示了γ-Al2O3纳米颗粒周围的电阻热点。b部分比较了不同方法从γ-Al2O3到α-Al2O3的相变温度。c部分为不同PDC时间后γ-Al2O3纳米颗粒的XRD图谱。d部分显示了δ-Al2O3作为唯一的中间相。e部分展示了随PDC时间增加的相质量比变化。f部分为原始α-Al2O3/碳黑混合物和不同温度煅烧后的α-Al2O3纳米颗粒的拉曼光谱。
图2: α-Al2O3纳米颗粒的表征。a部分为α-Al2O3纳米颗粒的明场透射电镜图像。b部分为高分辨透射电镜图像，展示了晶面间距。c部分为通过TEM统计得到的α-Al2O3纳米颗粒粒径分布。d部分为使用密度泛函理论模型得到的孔径分布。e部分为γ-Al2O3纳米颗粒前驱体和α-Al2O3产物的傅里叶变换红外光谱。f部分为α-Al2O3纳米颗粒的X射线光电子能谱。
图3: PDC过程中电阻热点效应的电流密度模拟。a部分为不同质量比的γ-Al2O3/CB经相同PDC处理后的XRD图谱。b部分为PDC处理后产物的相质量比随γ-Al2O3体积分数的变化。c部分为电导率和温度随γ-Al2O3体积分数的变化。d-f部分为不同γ-Al2O3体积分数下PDC过程中样品的电流密度模拟图。
图4: 通过密度泛函理论（DFT）计算揭示的拓扑相变过程。a部分为三种Al2O3相的体能量和表面能量。b部分为三种Al2O3纳米晶体的总能量随比表面积的变化。c部分为三种Al2O3相表面态的最高能带的部分电荷密度等值线图。
图5: 纳米晶氧化铝陶瓷的烧结。a部分为加热、烧结和冷却过程中碳纸的照片。b部分为交流烧结（ACS）过程中的实时温度测量。c部分为使用α-Al2O3纳米颗粒前驱体经ACS烧结得到的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸分布。d部分为使用α-Al2O3纳米颗粒前驱体经两步无压烧结（TS-PS）得到的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸分布。e部分为使用商业α-Al2O3纳米粉末前驱体经TS-PS得到的氧化铝陶瓷的晶粒尺寸分布。f部分为使用α-Al2O3纳米颗粒和商业α-Al2O3纳米粉末前驱体经TS-PS过程得到的氧化铝陶瓷的硬度分布。
总 结 展 望
文 章 链 接
Bing Deng, Paul A. Advincula, Duy Xuan Luong, Jingan Zhou, Boyu Zhang, Zhe Wang, Emily A. McHugh, Jinhang Chen, Robert A. Carter, Carter Kittrell, Jun Lou, Yuji Zhao, Boris I. Yakobson, Yufeng Zhao & James M. Tour. High-surface-area corundum nanoparticles by resistive hotspot-induced phase transformation. Nat Commun 13, 5027 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32622-4
