Investigación

 

Thermal evolution of porous anodic aluminas: a comparative study

 

M.E. Mata-Zamora and J.M. Saniger

 

Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México,Apartado Postal 70-186, México, 04510 D.F., e-mail: zamat@aleph.cinstrum.unam.mx, saniger@aleph.cinstrum.unam.mx

 

Recibido el 23 de mayo de 2005.
Aceptado el 7 de julio de 2005.

 

Abstract

The comparative study presented in this work concerning the thermal evolution of sulfuric, oxalic and phosphoric porous anodic aluminas, points out some differences among their physico-chemical and structural properties which were not previously reported. Empirical formulas calculated from the thermal analysis of all the anodic aluminas under study indicate that sulfuric aluminas have a significant higher content of dopant anionic species, oxygen excess, and hydroxyl groups than the oxalic and phosphoric aluminas, indicating that porous sulfuric anodic aluminas should have a higher structural disorder and hydrophilic character than its counterparts. For all samples, transition alumina phases are formed around 900°C and α-alumina above 1200°C, but in these transformations sulfuric and oxalic aluminas follow a different evolution from phosphoric alumina. In the former case, the formation of transition aluminas occurs with the almost simultaneous thermal decomposition of sulfates and oxalates and finally a pure α-Al₂O₃ phase is formed; while for the phosphoric alumina, the phosphate does not decompose even at 1400°C, when a α-Al₂O₃phase unpurified with AlPO₄ is observed. Infrared spectroscopy studies show that the coordination modes of the sulfuric and oxalic dopant species start to change well before their thermal decomposition, while, in the case of the phosphoric alumina, aluminum phosphate starts to form at the same time as the transition alumina phases.

Keywords: Anodic porous alumina; nanostructures; thermal analysis.

 

Resumen

En este trabajo se presenta un estudio comparativo de la evolución térmica de las alúminas porosas anódicas sulfúrica, oxálica y fosfórica que evidencia diferencias importantes en sus propiedades físico-químicas no reportadas previamente. Las fórmulas empíricas calculadas a partir del análisis térmico de cada tipo de alúmina demuestran que la alúmina anódica sulfúrica tiene un contenido significativamente mayor que la oxálica y fosfórica en cuanto a especies aniónicas dopantes, grupos hidroxilos y oxígeno en exceso, lo que implica que esta alúmina anódica porosa debe tener un mayor carácter hidrofílico y mayor desorden estructural que sus contrapartes. Para los tres tipos de alúminas anódicas porosas en estudio, las fases cristalinas, conocidas genéricamente como alúminas de transición, se forman alrededor de los 900^°C y la fase estable de α-alúmina se forma por encima de los 1200°C. Sin embargo, durante la evolución térmica, se observa un comportamiento de la alúmina fosfórica claramente diferenciable del de las alúminas sulfúricas y oxálicas. Para el caso de éstas últimas, la formación de las alúminas de transición ocurre de manera casi simultánea con la descomposición térmica de los sulfatos y oxalatos incorporados a la matriz de la alúmina que se liberan finalmente en forma de SO₂ y CO₂, mientras que para el caso de la alúmina fosfórica los fosfatos incorporados a la matriz no se descomponen térmicamente aún después de calentar las muestras a 1400°C, sino que se segregan de la matriz de alúmina formando una fase de AlPO₄ que permanece junto con la fase mayoritaria de α-Al₂O₃. Los estudios por espectroscopía infrarroja muestran que los modos de coordinación de los sulfatos y oxalatos incorporados a la matriz de alúmina porosa comienzan a cambiar bastante antes de su descomposición térmica y liberación, mientras que en el caso de la alúmina fosfórica, se observan indicios del inicio de la formación del fosfato de aluminio de manera coincidente con la formación de las alúminas de transición.

Descriptores: Alúmina anódica porosa; nanoestructuras; análisis térmico.

 

PACS: 82.45.Cc; 81.16.Pr; 81.70.Pg

 

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Acknowledgements

The authors would like to express their gratitude to A. Schindler and Nestzch Applications Laboratory for the identification of the thermal decomposition products of the anodic sulfuric and oxalic aluminas, to L. Baños from the Institute of Materials Research (UNAM) for the X-ray diffractograms, and to Patricia Girón from the Geology Institute (UNAM) for the X-ray fluorescence analysis. This work was supported by project 40507-F from CONACYT, Mexico.

 

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