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High-surface-area corundum nanoparticles by resistive hotspot-induced phase transformation

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作者
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
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41467-022-32622-4
摘要

High-surface-area α-Al2O3 nanoparticles are used in high-strength ceramics and stable catalyst supports. The production of α-Al2O3 by phase transformation from γ-Al2O3 is hampered by a high activation energy barrier, which usually requires extended high-temperature annealing (~1500 K, > 10 h) and suffers from aggregation. Here, we report the synthesis of dehydrated α-Al2O3 nanoparticles (phase purity ~100%, particle size ~23 nm, surface area ~65 m2 g-1) by a pulsed direct current Joule heating of γ-Al2O3. The phase transformation is completed at a reduced bulk temperature and duration (~573 K, < 1 s) via an intermediate δ'-Al2O3 phase. Numerical simulations reveal the resistive hotspot-induced local heating in the pulsed current process enables the rapid transformation. Theoretical calculations show the topotactic transition (from γ- to δ'- to α-Al2O3) is driven by their surface energy differences. The α-Al2O3 nanoparticles are sintered to nanograined ceramics with hardness superior to commercial alumina and approaching that of sapphire.
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