Préparation de nanotiges d'alumine à partir de boues d'alumine contenant du chrome

Contexte

La nano-alumine de faible dimension, telle que les nanofibres d'alumine [1,2,3] et les nanotiges d'alumine [4], possède des propriétés supérieures de résistance élevée, un module d'élasticité élevé, une stabilité chimique, de bonnes performances d'isolation thermique et une faible conductivité thermique [5, 6, 7, 8, 9], il a donc été largement appliqué dans divers domaines, tels que le renforcement des composites à matrice céramique et des composites à matrice métallique et catalyseur, support de catalyseur, adsorbants, réacteur à membrane, revêtements et matériaux d'anode [4, 10, 11,12,13,14,15]. Cependant, le coût de production élevé a limité son application. Certains auteurs ont rapporté avec succès des méthodes de synthèse de nano-alumine de faible dimension, notamment la méthode en phase solide, la méthode en phase vapeur [16] et la méthode en phase liquide [17, 18]. Parmi eux, la méthode en phase liquide est largement appliquée pour ses conditions de réaction douces, ses produits homogènes et son faible coût de production. Il y avait beaucoup de rapports sur la préparation de nano alumine par méthode sol-gel [5, 19, 20, 21], méthode de microémulsion [22], méthode hydrothermale [23], méthode de précipitation [23], dépôt chimique en phase vapeur [16], et électrofilage [1, 3, 24, 25]. Cependant, la méthode de précipitation est adaptée aux laboratoires et aux industries en raison de sa faible consommation d'énergie, de l'homogénéité du produit et de la taille et de la forme contrôlables.

La boue d'alumine contenant du chrome est une sorte de déchet solide dangereux, qui est produit dans le processus de production de produits à base de chrome par une méthode de grillage sans calcium. Sept mille kilogrammes de boues d'alumine contenant du chrome sont générés à partir de chaque tonne de produit de chrome. Il est composé de 55 ~ 65% d'Al₂ O₃ , 7 ~ 13% de chrome, et quelques composés de silicium, fer, magnésium et sodium. Les composants des boues d'alumine contenant du chrome sont indiqués dans le tableau 1, qui sont fournis par le fabricant (CITIC Jinzhou Metal Co., Ltd., Chine).

En tant que principale substance dangereuse, le chrome existe sous forme de Cr(III) ou Cr(VI) dans les boues d'alumine contenant du chrome, et le Cr(VI) est considéré comme le polluant dominant en raison de sa cancérogénicité [26]. Actuellement, la pollution de la solution des boues d'alumine contenant du chrome est principalement détoxifiée et valorisée. Le premier transforme le Cr(VI) en Cr(III) à faible toxicité et le stocke en tant que résidu de déchets. Zhang Dalei [27] a noté une méthode de pyrolyse pour transformer Cr(VI) en Cr(III) en utilisant de la paille. Duan Suhua [28] a souligné que les scories contenant du chrome pouvaient être traitées avec de l'alcool industriel. Cependant, les méthodes mentionnées ci-dessus non seulement occupent des terres, mais causent également un grand gaspillage de ressources. De plus, la pollution secondaire peut survenir de manière inattendue. Cette dernière méthode consiste à séparer et à utiliser les composants utiles de la boue d'alumine contenant du chrome. Xue Wendong [29] a signalé que les boues d'alumine contenant du chrome pouvaient être utilisées pour préparer des réfractaires. Cependant, la méthode ci-dessus peut être limitée en raison de sa faible valeur ajoutée. Par conséquent, de nouvelles méthodes devraient être proposées pour éliminer la pollution et promouvoir une utilisation globale des boues d'alumine contenant du chrome, ce qui peut non seulement résoudre les problèmes environnementaux, mais aussi apporter de grands avantages économiques.

Dans cet article, des nanotiges d'alumine sont préparées à partir de boues d'alumine contenant du chrome par la méthode de précipitation-calcination. Parallèlement, afin de rechercher l'influence de l'ion simple dopant sur les nanobâtonnets d'alumine, les nanobâtonnets d'alumine avec ion non ou simple dopage sont préparés et caractérisés. Les résultats fourniront un support technique pour éliminer la pollution et promouvoir une utilisation complète des boues d'alumine contenant du chrome.

Méthodes

Matériaux

Les réactifs (par exemple, le sulfate d'aluminium octadécahydraté, le sulfate de chrome, le sulfate ferrique, le sulfate de magnésium, l'hydroxyde de sodium, l'acide sulfurique et le dodécylbenzène sulfonate de sodium) utilisés dans cette étude étaient des produits chimiques analytiquement purs. La boue d'alumine contenant du chrome a été fournie par CITIC Jinzhou Metal Co., Ltd. (Chine). Toutes les solutions ont été préparées avec de l'eau désionisée.

Traitement des boues d'alumine contenant du chrome

Dans un premier temps, les boues d'alumine contenant du chrome ont été lavées et filtrées par de l'eau désionisée selon le rapport solide-liquide de 1:5 (g/mL). En conséquence, la plupart des Cr ⁶⁺ les composés ont été séparés des boues d'alumine contenant du chrome. Ensuite, le gâteau de filtration a été dissous avec de l'acide sulfurique selon le rapport solide-liquide de 1:3 (g/mL), puis, le H₂ O₂ a été utilisé pour transformer le Cr ⁶⁺ résiduel à Cr ³⁺ . Enfin, la solution acide de boues d'alumine contenant du chrome a été obtenue avec succès et les composants ont été analysés par titrage chimique et spectrophotomètre à lumière visible (VIS, 721N, Varian, Amérique) indiqué dans le tableau 2.

Synthèse de nanotiges d'alumine

Deux moles par litre de solution de NaOH et de solution de dodécylbenzènesulfonate ont été ajoutées lentement dans 0,25 mol/L d'Al₂ (SO₄ )₃ solution sous agitation magnétique à 85 °C, et la valeur du pH de la solution mélangée a été ajustée à 9,0 avec NaOH ou H₂ SO₄ Solution. Après agitation pendant 5 h et vieillissement pendant 20 h, les précipités ont été séparés et lavés plusieurs fois avec de l'eau désionisée et de l'alcool éthylique. Par la suite, les échantillons ont été séchés sous vide à 40 °C pendant 15 h, puis les précurseurs ont été préparés. Enfin, les échantillons ont été calcinés à 250 °C pendant 1 h, 400 °C pendant 1 h, 770 °C pendant 1 h, 900 °C pendant 1 h et 1050 °C pendant 2 h en continu, puis les échantillons ont été collectés. pour utilisation. Les alumines non dopées ont été préparées à partir d'Al₂ pur (SO₄ )₃ solution, et les échantillons dopés aux ions ont été préparés par la même méthode que ci-dessus. Pendant ce temps, les chlorates de Cr, Fe et Mg ont été ajoutés dans l'Al₂ (SO₄ )₃ solution en fonction de la teneur en élément dopant dans la boue d'alumine contenant du chrome (tableau 2), et l'alumine dopée Cr, Fe et Mg ont été préparées. En utilisant la solution acide de boue d'alumine contenant du chrome comme matières premières, l'alumine a été nommée qui a été préparée à partir de la boue d'alumine contenant du chrome.

Caractérisation des tiges de nano-alumine

Les phases cristallines des échantillons ont été caractérisées par diffraction des rayons X sur poudre (XRD) à l'aide d'un diffractomètre à rayons X D/MAX-RB (Rigaku, Japon) avec un rayonnement Cu K dans la plage 2θ de 10° à 70° lors d'un balayage cadence de 2°/min. Les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR) des échantillons ont été caractérisés à l'aide du spectromètre Scimitar 2000 Near FT-IR (Thermo electron, USA), et les spectres ont été enregistrés dans la plage de 4000 à 400 cm ⁻¹ . La stabilité thermique du précurseur a été examinée par un analyseur thermogravimétrique (TG-DSC, STA449F3, NETZSCH, Allemagne) avec un débit de 30 mL/min dans une atmosphère d'air et une température de 15–1200 °C avec un taux de chauffage de 10 ° C/min. Les morphologies, la structure cristalline et la distribution des éléments des échantillons ont été examinées par microscopie électronique à transmission à émission de champ (FETEM, Jem-2100F, JEOL, Japon). Les spectres de spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) des échantillons ont été enregistrés sur XPS (ESCAMABMKLL, VG, UK) équipé d'un analyseur d'électrons hémisphérique et d'un Al Kα Source de rayons X.

Résultats et discussion

Caractérisation XRD des nanotiges d'alumine

Les motifs XRD ont été enregistrés pour confirmer la structure cristalline des échantillons, comme le montre la figure 1. Pour les nanotiges d'alumine non dopées, les résultats XRD montrent l'existence de différentes structures cristallines d'alumine, y compris le corindon -Al₂ O₃ , syn) (JCPDS n° 46-1212) et oxyde d'aluminium (θ -Al₂ O₃ , JCPDS n° 35-0121), et les pics de diffraction de θ -Al₂ O₃ sont plus faibles (Fig. 1 (a)). En général, les alumines sont transformées à partir de l'état de transition θ -Al₂ O₃ à l'état stable α -Al₂ O₃ à 1000 ~ 1200 °C. Par rapport à l'échantillon non dopé, les nanotiges d'alumine dopée au Cr ont des pics relativement plus forts de θ -Al₂ O₃ et des pics relativement plus faibles de α -Al₂ O₃ (Fig. 1 (b)). Cela signifie que la transition cristalline est restreinte par le Cr dopé dans le processus de calcination, donc moins θ -Al₂ O₃ est transformé en α -Al₂ O₃ après calcination à 1050 °C. D'après la figure 1 (c), on peut voir que les pics de α -Al₂ O₃ sont plus forts et plus nets que ceux de (a) et (b), suggérant la plus grande taille de cristal et une meilleure cristallinité. Pendant ce temps, les sommets de θ -Al₂ O₃ sont encore plus faibles, ce qui indique que la transition cristalline est facilitée par le Fe dopé. C'est peut-être parce que plus de θ -Al₂ O₃ est transformé en α -Al₂ O₃ après calcination. La figure 1 (d) montre que les nanotiges d'alumine dopée au Mg ont des pics relativement plus forts et plus nets de α -Al₂ O₃ et des pics relativement plus faibles de θ -Al₂ O₃ . Il est suggéré que l'échantillon contienne plus de α -Al₂ O₃ et moins θ -Al₂ O₃ , ce qui peut être dû au fait que le Mg dopé favorise la transition cristalline de l'alumine dans le processus de calcination. Pour les nanotiges d'alumine préparées à partir de boues d'alumine contenant du chrome, les pics de α -Al₂ O₃ presque disparaître, tandis que les pics de θ -Al₂ O₃ devenir plus fort mais pas assez pointu (Fig. 1 (e)). Il est indiqué que le θ -Al₂ O₃ a une faible cristallinité et une plus petite taille de cristal. Cela pourrait être dû au fait que davantage d'éléments d'impuretés de la boue d'alumine contenant du chrome sont dopés dans l'alumine et que la transition cristalline de l'alumine est limitée dans le processus de calcination. Ainsi, le θ -Al₂ O₃ est rarement transformé en α -Al₂ O₃ .

Schémas XRD de nanotiges d'alumine dopées avec différents ions :a alumine non dopée, b Alumine dopée Cr, c Alumine dopée au Fe, d alumine dopée au magnésium et e l'alumine préparée à partir des boues d'alumine contenant du chrome

Spectres FT-IR des nanotiges d'alumine

Spectres FT-IR de nanotiges d'alumine dans la plage de 4000 à 400 cm ⁻¹ sont représentés sur la Fig. 2 [27]. Les pics d'absorption se situent entre 3 500 et 3 300 et 1 635 cm ⁻¹ qui apparaissent dans tous les spectres sont attribués à la vibration d'étirement de l'association de liaisons non chimiques des groupes OH et aux vibrations de flexion H–O–H, respectivement, indiquant que l'eau interstitielle et l'eau adsorbée existent dans les échantillons [30]. Les pics à 2360 cm ⁻¹ sont attribués à la présence de dioxyde de carbone. La figure 2 (2) montre la région des empreintes digitales des spectres FT-IR des échantillons. Comme le montre la figure 2 (2a), pour l'échantillon non dopé, les pics à 829, 589 et 449 cm ⁻¹ sont attribués à AlO₆ vibrations, indiquant la formation de α -Al₂ O₃ [1]. Pendant ce temps, les pics à 762 cm ⁻¹ sont attribuées à la vibration de flexion de Al–O–Al, et celles à 663 et 488 cm ⁻¹ sont attribuées aux vibrations d'étirement et aux vibrations de flexion d'Al–O, respectivement, indiquant la formation de θ -Al₂ O₃ . La figure 2 (2b) montre que les pics de α -Al₂ O₃ sont plus faibles que ceux de la Fig. 2(2a), indiquant que le dopé au Cr empêche la formation de α -Al₂ O₃ dans le processus de calcination. Pour l'alumine dopée Fe et Mg, les pics de θ -Al₂ O₃ deviennent plus faibles, et les pics de α -Al₂ O₃ ont très peu de changement (Fig. 2 (2c,d)). Par rapport à la figure 2(2a), les pics se sont légèrement décalés vers le rouge ou le bleu, illustrant que le Fe et le Mg dopés profitent à la croissance de α -Al₂ O₃ et transformer légèrement la liaison chimique des nanotiges d'alumine. La figure 2 (2e) est la région d'empreinte digitale des spectres FT-IR des nanotiges d'alumine préparées à partir de la boue d'alumine contenant du chrome. Les pics inférieurs à 500 cm ⁻¹ disparaissent, indiquant qu'il n'y a pas de α -Al₂ O₃ dans les échantillons. De plus, les pics à 900-500 cm ⁻¹ sont dispersés, ce qui pourrait être le résultat de vibrations de M–O et M–O–M (M est Al ou l'élément dopé de l'alumine de la boue d'alumine contenant du chrome). Les résultats ci-dessus sont conformes aux résultats XRD.

Spectres FT-IR de tiges de nano alumine dopées avec différents ions :a alumine non dopée, b Alumine dopée Cr, c Alumine dopée au Fe, d alumine dopée au magnésium et e l'alumine préparée à partir des boues d'alumine contenant du chrome

TG-DSC des nanotiges d'alumine

Les courbes de l'analyseur thermogravimétrique (TG) et de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) des précurseurs des nanotiges d'alumine sont présentées sur la figure 3. Les résultats XRD indiquent que le précurseur des nanotiges d'alumine est AlO(OH) (JCPDS n° 49-0133). Comme le montre la figure 3a, dans l'air, seules trois étapes peuvent être observées dans l'échantillon non dopé. En dessous de 250 °C, une perte de masse d'environ 40 % sur la courbe TG et des pics endothermiques correspondants à 50 et 150 °C sur la courbe DSC sont associés à l'évaporation de l'humidité et à la désorption de l'eau adsorbée. La deuxième étape se situe entre 250 et 7 730 °C, avec une perte de masse totale d'environ 35 % et deux pics endothermiques sont à 320 et 694 °C. A la température de 320 °C, le pic endothermique est dû à la transformation de AlO(OH) en Al₂ amorphe O₃ . Pendant ce temps, le faible pic endothermique à 694 °C est attribué à la transformation d'Al₂ amorphe O₃ à θ -Al₂ O₃ . Dans la troisième étape au-dessus de 730 °C, il y a une petite perte de masse et un fort pic endothermique à 980 °C, qui est principalement le résultat de la transformation de θ -Al₂ O₃ à α -Al₂ O₃ . Par rapport à l'échantillon non dopé, le dopage par ions métalliques fait déplacer les pics endothermiques. La figure 3b–e montre que les pics endothermiques sont déplacés vers une température plus élevée et se sont élargis. C'est peut-être parce que les ions dopés changent le cours de la transformation de la structure de phase, donc le degré de transformation de θ -Al₂ O₃ à α -Al₂ O₃ est différent pour chaque échantillon. Les résultats sont en accord avec le XRD et le FT-IR.

TG et DSC des précurseurs de nano tige d'alumine dopés avec différents ions :a alumine non dopée, b Alumine dopée Cr, c Alumine dopée au Fe, d alumine dopée au magnésium et e L'alumine préparée à partir des boues d'alumine contenant du chrome

Images TEM, SAED et HRTEM de nanotiges d'alumine

La figure 4 donne les résultats de la MET, de la diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) et de la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM). Comme le montre la figure 4 (a1–a3), les alumines non dopées sont des nanotiges dispersives d'un diamètre de 4 à 6 nm et d'une longueur de 20 à 60 nm. Pendant ce temps, les plans (215), (006), (21 \( \overline{1} \)) et (20 \( \overline{4} \)) sont conformes à θ -Al₂ O₃ (JCPDS n° 35–0121), et les avions (300), (214), (113) et (104) sont associés à α -Al₂ O₃ (JCPDS n° 46-1212). De plus, la distance interplanaire observée de 0,273 et 0,284 nm pourrait être attribuée aux plans (20 \( \overline{2} \)) et (004) de θ -Al₂ O₃ , et l'espacement du réseau de 0,255 et 0,348 nm pourrait correspondre aux plans (104) et (012) de α -Al₂ O₃ . Comparé à l'échantillon non dopé, l'échantillon dopé au Cr est constitué de nanotiges d'un diamètre de 4 à 6 nm et d'une longueur de 50 à 120 nm (Fig. 4 (b1)). La figure 4 (b2) montre que les plans (215), (21 \( \overline{1} \)), (20 \( \overline{2} \)) et (111) sont conformes à -Al₂ O₃ , et les plans (300), (214), (113) et (104) sont conformes à α -Al₂ O₃ . Comme le montre la figure 4 (b3), les distances interplanaires de 0,202 nm, 0,273 nm, 0,284 nm et 0,454 nm sont attribuées à (21 \( \overline{1} \)), (20 \( \overline{ 2} \)), (004) et (10 \( \overline{2} \)) plans de θ -Al₂ O₃ , et la distance interplanaire de 0,209 et 0,238 nm sont attribuées aux plans (113) et (110) de α -Al₂ O₃ . La figure 4 (c1) montre que l'échantillon dopé au Fe est un mélange de nanotiges d'un diamètre de 5 à 10 nm et d'une longueur de 30 à 100 nm et de nanoparticules d'environ 10 nm. La figure 4 (c2) montre que les plans (20 \( \overline{2} \)) sont conformes à θ -Al₂ O₃ , et les plans (300), (214), (024), (113), (104) et (116) sont conformes à α -Al₂ O₃ , il est conforme aux résultats XRD. Pendant ce temps, les distances interplanaires observées de 0,284 et 0,454 nm sont attribuées aux plans (004) et (10 \( \overline{2} \)) de θ -Al₂ O₃ , et la distance interplanaire de 0,238 et 0,255 nm sont attribuées aux plans (110) et (104) de α -Al₂ O₃ (Fig. 4 (c3)).

TEM, SAED et HRTEM de nanotiges d'alumine dopées avec différents ions :a alumine non dopée, b Alumine dopée Cr, c Alumine dopée au Fe, d alumine dopée au magnésium et e l'alumine préparée à partir des boues d'alumine contenant du chrome. (1) MET ; (2) SAED ; (3) HRTEM

Comme le montre la figure 4 (d1-d3), l'échantillon dopé au Mg est constitué de nanotiges bien dispersées d'un diamètre de 5 à 10 nm et d'une longueur de 20 à 50 nm, et des nanoparticules d'environ 10 nm existent simultanément. Les résultats de la SAED montrent que les plans (215), (21 \( \overline{1} \)) et (20 \( \overline{2} \)) sont conformes à θ -Al₂ O₃ , et les plans (300), (214), (113) et (104) sont conformes à α -Al₂ O₃ . Les résultats HRTEM montrent que les distances interplanaires observées de 0,226 et 0,191 nm sont attribuées aux plans (20 \( \overline{4} \)) et (006) de θ -Al₂ O₃ , et la distance interplanaire de 0,255 et 0,238 nm sont attribuées aux plans (104) et (110) de α -Al₂ O₃ . La figure 4 (e1-e3) montre que l'échantillon préparé à partir de boues d'alumine contenant du chrome est constitué de nanotiges bien dispersées d'un diamètre de 4 à 6 nm et d'une longueur de 50 à 100 nm, et des nanoparticules d'environ 5 à 10 nm existent simultanément. Les résultats SAED et HRTEM montrent que (215), (111), (21 \( \overline{1} \)), (31 \( \overline{3} \)), et (20 \( \overline{2 } \)) les plans sont conformes à θ -Al₂ O₃ , et la distance interplanaire observée de 0,226, 0,245, 0,284 et 0,454 nm sont attribuées à (20 \( \overline{4} \)), (111), (004) et (10 \( \overline{2 } \)) plans de celui-ci. Cependant, il n'y a pas d'avions conformément à α -Al₂ O₃ . En conséquence, les nanotiges d'alumine non dopées sont bien dispersives que les autres, et les particules ont une forme régulière. Il se peut que les éléments d'impuretés soient dopés dans le cristal d'alumine et freinent la croissance cristalline des nanotiges d'alumine selon les règles. Ainsi, les formes et les dispersibilités des nanotiges d'alumine sont affectées par les éléments dopés.

Caractérisation EDS d'un précurseur de nanotiges d'alumine dopé avec différents ions

Les résultats de l'EDS révèlent que Cr, Fe et Mg sont dopés dans le précurseur des nanotiges d'alumine avec une quantité molaire de 2,06, 0,99 et 0,58 %, respectivement (tableau 3). Cette quantité de dopage est proche du dosage d'ajout d'élément d'impureté (tableau 2), indiquant que la plupart des éléments d'impureté sont dopés dans le précurseur de nanotige d'alumine. Pendant ce temps, pour l'échantillon préparé à partir de boues d'alumine contenant du chrome, la quantité molaire dopée de Cr, Fe et Mg est de 2,11, 0,14 et 0,96 %, respectivement. Les résultats suggèrent que la plupart du Cr et du Mg sont dopés dans l'échantillon, mais qu'une petite quantité de Fe y est dopée. Il est possible que le dopage du Fe soit confiné par la compétition du Cr et du Mg.

Caractérisation XPS de fibres d'alumine nanométriques dopées avec différents ions

La figure 5 montre les spectres XPS de O1s et Al 2p . Comme le montre la figure 5a, les pics à 531,90, 531,85, 531,15, 531,20 et 532,00 eV sont attribués aux nanotiges d'alumine non dopées, dopées au Cr, dopées au Fe et dopées au Mg et à l'échantillon préparé à partir du chrome boues d'alumine, respectivement. Les pics sont affectés à O ²⁻ de l'Al₂ O₃ [31]. La figure 5b montre les pics à 74,00, 74,25, 74,75, 74,38 et 73,90 eV d'Al 2p sont attribués aux échantillons ci-dessus, respectivement. Les pics sont attribués à Al ³⁺ de l'Al₂ O₃ . Pendant ce temps, les bonnes symétries de courbe sont prouvées par un ajustement gaussien, indiquant que moins d'autre oxygène et aluminium sont formés dans les échantillons. Les O1s l'énergie de liaison (BE) des nanotiges d'alumine non dopées et dopées au Cr et de l'échantillon préparé à partir des boues d'alumine contenant du chrome sont presque et sont supérieures à celles des échantillons dopés Fe et Mg. L'ordre des plus petits O1 BE est le suivant :nanotiges d'alumine dopée Fe, dopée Mg, dopée Cr, non dopée et l'échantillon préparé à partir de la boue d'alumine contenant du chrome. Cependant, l'Al 2p BE est à l'opposé. Les résultats XRD montrent que plus d'état transitoire θ -Al₂ O₃ sont dans les nanotiges d'alumine non dopées et dopées au Cr et l'échantillon préparé à partir de la boue d'alumine contenant du chrome, et plus encore α -Al₂ O₃ sont dans les nanotiges d'alumine dopée Fe et Mg. En raison du formulaire de coordination [AlO₄ ] pour θ -Al₂ O₃ et [AlO₆ ] pour α -Al₂ O₃ , il est possible que les O1s BE de [AlO₆ ] est plus grand et Al 2p BE est plus petit que celui de [AlO₄ ]. De plus, les imperfections du réseau d'Al₂ O₃ sont causés par les ions Cr, Fe et Mg qui entrent dans Al₂ O₃ treillis. Ainsi, les états chimiques de O et Al sont affectés par le défaut de réseau et l'énergie de liaison est modifiée.

Spectres XPS de a O1s et b Al 2p pour les nanobâtonnets d'alumine dopés avec différents ions

La figure 6 présente les spectres XPS de l'ion dopant. Comme le montre la figure 6a, les pics à 589,80 et 578,52 eV sont attribués à Cr 2p _1/2 et Cr 2p _3/2 de Cr(VI), et les pics à 587,53 et 577,39 eV sont attribués à Cr 2p _1/2 et Cr 2p _3/2 de Cr(III). Il montre que le Cr existe dans les nanotiges d'alumine dopée Cr sous forme de Cr(VI) et Cr(III). Cependant, la plupart du Cr existe sous forme de Cr(III) dans l'échantillon préparé à partir de la boue d'alumine contenant du chrome. Cela indique que la partie du Cr(III) est oxydée dans le processus de calcination dans l'échantillon dopé au Cr, mais moins de Cr(III) est oxydé dans les échantillons préparés à partir des boues d'alumine contenant du chrome. Pour les échantillons préparés à partir de la boue d'alumine contenant du chrome, en raison de la formation d'une combinaison de liaisons chimiques de Cr–O et de l'élément métallique d'impureté, le potentiel d'électrode de Cr ⁶⁺ /Cr ³⁺ est augmentée à haute température, donc peu de Cr(VI) dans l'échantillon. Comme le montre la Fig. 6b, les pics à 724,45 et 711,30 eV sont attribués à Fe 2p _1/2 et Fe 2p _3/2 de Fe₂ O₃ , et 722,38 et 710,44 eV sont attribués à Fe 2p _1/2 et Fe 2p _3/2 de Fe₃ O₄ . Les résultats montrent que Fe existe dans l'échantillon de dopage Fe sous forme de Fe(II) et Fe(III). Il est suggéré que l'élément Fe est entré dans le réseau du précurseur d'alumine et a lieu au niveau du réseau d'aluminium pendant la synthèse. Lors du processus de calcination suivant, un peu de Fe(III) est réduit en Fe(II) en réduisant la substance dans l'air. Cependant, il n'y a pas de pics de Fe dans l'échantillon préparé à partir des boues d'alumine contenant du chrome, en raison du peu de Fe dans l'échantillon (tableau 3). Comme le montre la figure 6c, les pics de 50,20 à 50,34 eV sont attribués à Mg 2p de MgO, suggérant que Mg existe dans l'échantillon dopé au Mg sous forme de MgO. Cependant, le pic de Mg 2p est très faible dans l'échantillon préparé à partir des boues d'alumine contenant du chrome. Il est possible que la teneur en Mg soit rare. Les résultats sont en accord avec l'EDS. Selon les résultats de XRD, FT-IR et XPS, il est illustré que l'imperfection du réseau des échantillons de dopage à élément unique est due aux impuretés de l'élément métallique entrant dans le réseau d'alumine. Cependant, en raison de la compétition de plusieurs éléments, plus de Cr est entré dans le réseau d'alumine préparé à partir de la boue d'alumine contenant du chrome, et peu d'éléments Fe et Mg sont entrés.

Spectres XPS de a Cr ³⁺ 2p , b Fe ³⁺ 2p , et c Mg ²⁺ 2p

Conclusions

En résumé, les éléments d'impureté ont été dopés dans des nanotiges d'alumine, telles que Cr, Fe et Mg. La transformation cristalline de l'alumine est limitée par le Cr dopé et facilitée par le Fe et le Mg dopés, qui sont transformés à partir de θ -Al₂ O₃ à α -Al₂ O₃ dans le processus de calcination. De plus, la transformation cristalline de l'alumine est fortement freinée par des éléments co-dopés de la boue d'alumine contenant du chrome. Le cours de la transformation de la structure de phase, la liaison chimique, la microstructure et l'état chimique de O et Al des nanotiges d'alumine sont affectés par les éléments dopés. Dans l'échantillon préparé à partir de boues d'alumine contenant du chrome, le dopage Fe est confiné par la compétition du Cr et du Mg. Cette étude suggère que des nanotiges d'alumine peuvent être préparées à partir de boues d'alumine contenant du chrome pour réduire les coûts et éliminer la pollution.

Abréviations

BE :

Énergie de liaison

DSC :

Analyse calorimétrique différentielle à balayage

EDS :

Spectromètre à dispersion d'énergie

FETEM :

Microscopie électronique à transmission à émission de champ

FT-IR :

Spectres infrarouges à transformée de Fourier

HRTEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

SAED :

Diffraction électronique à zone sélectionnée

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TG :

Analyseur thermogravimétrique

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre