Presque tout le monde utilise aujourd'hui de l'alumine de taille nanométrique - ce minéral, entre autres, constitue le squelette des convertisseurs catalytiques modernes dans les voitures. Jusqu'à maintenant, la production pratique de nanocorindon avec une porosité suffisamment élevée n'a pas été possible. La donne a radicalement changé avec la présentation d'une nouvelle méthode de production de nanocorindon, développé dans le cadre d'une coopération germano-polonaise de scientifiques de Mülheim an der Ruhr et de Cracovie.

Températures et pressions élevées, des processus qui durent même des dizaines de jours - ce sont des méthodes actuelles de production d'alumine de taille nanométrique, un matériau d'importance industrielle importante, et ils peuvent difficilement être appelés idéaux. Le produit lui-même est également loin d'être idéal. Pendant ce temps, des scientifiques du Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (MPI Kofo) à Mülheim an der Ruhr (Allemagne) ont découvert un processus simple pour la production de nanocorindon. Sa base thermodynamique est expliquée par un modèle théorique innovant développé par le professeur Zbigniew Lodziana de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie. Le modèle suggère que le corindon de taille nanométrique peut être formé dans des conditions radicalement plus respectueuses de l'environnement. Le succès du groupe germano-polonais s'est avéré si important qu'il a été publié dans Science , l'une des revues scientifiques les plus respectées au monde.

"Nanoparticules de corindon, produit par la méthode que nous proposons, ont une taille d'environ 13 nanomètres et se caractérisent par une porosité considérable :un gramme a une surface d'environ 140 m ² . C'est environ un ordre de grandeur supérieur à la valeur typique du nanocorindon produit au moyen des procédés technologiques actuellement connus, " dit le Pr Lodziana.

Corindon, la forme la plus stable de l'alumine Al 2 O 3 (désigné par la lettre grecque alpha), est un minéral commun. En raison de sa dureté, il est couramment utilisé, entre autres, comme abrasif. Les convertisseurs catalytiques de voiture sont une application populaire pour l'alumine. Ici, il sert de sous-couche poreuse pour les particules actives de métaux de transition (par exemple le palladium), qui sont responsables de l'élimination du monoxyde de carbone et des oxydes d'azote des gaz d'échappement. Grand, les cristaux de corindon transparent sont rares et considérés comme des pierres précieuses; selon leurs mélanges, ils prennent des couleurs différentes, par exemple. rouge (rubis) ou bleu (saphirs).

"Le problème avec la production simple et efficace d'alumine de taille nanométrique se résume en réalité à l'élimination des molécules d'eau recouvrant la majeure partie de l'hydroxyde d'aluminium. À l'heure actuelle, une chaleur intense et/ou une pression élevée sont utilisées à cette fin. Malheureusement, pendant le chauffage, les nanoparticules se développent. Cela signifie que leur surface totale diminue, et donc les propriétés fonctionnelles du matériau se détériorent, " explique le Pr Lodziana.

Les alumines poreuses sont actuellement produites à partir de l'hydroxyde d'aluminium le plus facilement disponible. Cette poudre blanche, appelé boehmite, doit être exposé à une température de plus de 700 Kelvin à une pression d'env. 1200 atmosphères. Ces conditions doivent être maintenues pendant plus d'un mois. Dans la phase finale, jusqu'à dix heures, la température monte à plus de 800 K. Un autre mode de production classique est le chauffage pendant une dizaine d'heures à une température de plus de 800 K, après quoi, pendant encore une douzaine d'heures, la température est portée à plus de 1600 K.

Faisant la lumière sur le fait qu'il est possible d'éliminer les molécules d'eau de la boehmite à l'aide de petites quantités d'énergie fournies, entre autres, dans les réactions mécanochimiques, était très important pour comprendre comment la boehmite se transforme en nanocorindon.

Alors que les réactions chimiques typiques impliquent des solutions ou des gaz, en mécanochimie les processus se déroulent entre solides, généralement préparé sous forme de poudres. L'énergie nécessaire pour réaliser la réaction est ici l'énergie mécanique, fourni lors du broyage dans les broyeurs mécaniques (parfois même un broyage à la main est suffisant).

Lors des travaux sur la nouvelle méthode, il a été démontré, à la fois pratiquement et théoriquement, qu'il est possible d'obtenir du corindon de taille nanométrique tout en conservant sa stabilité et sa porosité importante. Cet effet a été obtenu par la sélection appropriée des paramètres de fonctionnement des broyeurs à boulets dans lesquels le broyage a eu lieu. L'objectif était de créer une situation où la quantité d'énergie fournie localement au système dépasse l'énergie de liaison des molécules d'eau par la boehmite, ce qui entraîne leur libération de la surface.

"Dans le contexte du précédent, méthodes en plusieurs étapes, le nôtre se distingue par son extrême simplicité :nous ne faisons que broyer une poudre dans un broyeur à boulets pendant un certain temps. Surtout, le procédé se déroule à température ambiante et ne nécessite que quelques heures pour obtenir des nanoparticules de corindon thermodynamiquement stables, " souligne le Pr Lodziana.

La méthode présentée de production de nanocorindon réduit non seulement l'énergie, mais aussi les coûts financiers liés à la production de nanoparticules de corindon de haute qualité au minimum.

La partie théorique de la recherche décrite, réalisée à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences, a été financé par ses fonds statutaires.