Hebei Messi Biology Co., Ltd. weist darauf hin, dass es sich bei Nano-Magnesiumoxid um ein neuartiges anorganisches Funktionsmaterial mit breiten Anwendungsperspektiven und enormem wirtschaftlichen Potenzial handelt. Es findet vielfältige Verwendung in Bereichen wie Keramik, Katalysatoren, elektrische Isolierstoffe, Kosmetika, feuerfeste Materialien, supraleitende Werkstoffe, Füllstoffe für Kautschuk, Adsorbentien für saure Gase sowie Katalysatorträger und dient zudem als radarabsorbierendes und antibakterielles Material. In der vorliegenden Studie wurde Nano-Magnesiumoxid-Pulver mittels eines hydrothermalen Verfahrens aus kostengünstigen anorganischen Magnesiumsalzen hergestellt. Dabei wurden der Einfluss der Reaktionsmedien auf die Pulvermorphologie untersucht, der Sintermechanismus während der Verdichtung des Pulvers durch Spark-Plasma-Sintern (SPS) systematisch analysiert sowie die mechanischen Eigenschaften der verdichteten Keramiken geprüft. Zusätzlich wurde die katalytische Leistungsfähigkeit des Nano-Magnesiumoxid-Pulvers bei der thermischen Zersetzung von Ammoniumperchlorat (AP) systematisch untersucht.
Zur Analyse der Auswirkungen von Prozessparametern – wie dem Molverhältnis von Fällungsmittel zu Mg²⁺, der hydrothermalen Reaktionszeit und der hydrothermalen Reaktionstemperatur – auf Ausbeute, mittlere Partikelgröße und Morphologie des Nano-Magnesiumoxid-Pulvers wurde ein orthogonales Versuchsdesign angewandt. Als optimale Herstellungsbedingungen wurden ein Molverhältnis von Fällungsmittel zu Mg²⁺ von 2:1, eine hydrothermale Reaktionszeit von 3 Stunden und eine hydrothermale Reaktionstemperatur von 160 °C ermittelt. Mittels Einzelfaktor-Experimenten wurden das Fällungsmittel ausgewählt und die für die Zersetzung des Vorläufermaterials zu Nano-Magnesiumoxid-Pulver erforderliche Kalzinierungstemperatur bestimmt.
Es wurde untersucht, wie sich Ethylendiamintetraacetat-Dinatrium (EDTA) und Kaliumchlorid (KCl) als Reaktionsmedien auf Morphologie und Struktur des Nano-Magnesiumoxid-Pulvers auswirken. Bei Zugabe von EDTA oder KCl zum hydrothermalen Reaktionssystem wandelte sich die Morphologie des Nano-Magnesiumoxid-Pulvers von hexagonalen Plättchen zu annähernd kreisförmigen Plättchen, während die Kristallstruktur kubisch-flächenzentriert blieb. Der Mechanismus des Kristallwachstums wurde anhand der Theorie der anionischen Koordinationspolyeder-Wachstumseinheiten erläutert und die den morphologischen Veränderungen zugrundeliegenden Mechanismen wurden untersucht. Die Phasenzusammensetzung und Kornmorphologie von MgO-Massivkeramiken, die bei verschiedenen Temperaturen (900 °C, 1050 °C, 1200 °C, 1300 °C und 1420 °C) mittels Spark-Plasma-Sintern (SPS) hergestellt wurden, wurden untersucht. Die Sintertemperatur beeinflusste das Kornwachstum und die Keramikstruktur maßgeblich. Röntgendiffraktionsanalysen (XRD) zeigten, dass die Massivkeramiken eine kubisch-flächenzentrierte (kfz/FCC) Struktur sowie eine einphasige Zusammensetzung und hohe Reinheit aufwiesen. Mit steigender Sintertemperatur wurden die Beugungsreflexe verschiedener Kristallebenen schärfer und schmaler, was auf ein während des Prozesses stattfindendes Kornwachstum hindeutete. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Untersuchungen ergaben, dass sich die Partikelmorphologie mit steigender Sintertemperatur von hexagonalen Plättchen zu Polyedern wandelte, während die Hohlräume zwischen den Partikeln von zusammenhängenden Poren zu isolierten Poren übergingen. Zur Berechnung des kinetischen Wachstumsexponenten ($n$) und der Aktivierungsenergie für das Kornwachstum ($Q$) bei verschiedenen Sintertemperaturen wurde die phänomenologische kinetische Theorie herangezogen. Die Analyse zeigte, dass bei 900 °C und 1050 °C das Sintern und Kornwachstum primär durch Oberflächendiffusion bestimmt wurden; bei 1200 °C erfolgte der Prozess durch Oberflächendiffusion in Kombination mit plastischem Fließen; und bei 1300 °C sowie 1420 °C waren Korngrenzendiffusion und plastisches Fließen die maßgeblichen Mechanismen.
Es wurden die Vickers-Mikrohärte der bei verschiedenen Temperaturen und Haltezeiten gesinterten MgO-Keramiken gemessen sowie die Biegefestigkeit der Sinterkörper mittels Dreipunkt-Biegeversuchen bestimmt. Dabei wurden die Faktoren untersucht, welche die Härte der Keramik beeinflussen; als wesentliche Bestimmungsgrößen wurden Porosität und Korngröße identifiziert. Die mikrostrukturelle Analyse ergab, dass Korngröße, Porosität und Versetzungsdichte die entscheidenden Faktoren für die Festigkeit der MgO-Keramiken darstellten. Schließlich wurde die katalytische Aktivität des Nano-MgO-Pulvers anhand dreier Parameter bewertet: der Temperatur des exothermen Hochtemperatur-Peaks von AP (Ammoniumperchlorat), der scheinbaren Zersetzungswärme und der Massenverlustrate bei niedrigen Temperaturen. Die Untersuchungen zeigen, dass Nano-Magnesiumoxid-Pulver eine hervorragende katalytische Aktivität gegenüber AP aufweist: Es senkt die Temperatur des Hochtemperatur-Zersetzungspeaks, erhöht die scheinbare Zersetzungswärme und steigert signifikant die Massenverlustrate während der Niedrigtemperatur-Zersetzung. Die kinetischen Parameter des durch Nano-Magnesiumoxid-Pulver katalysierten AP-Zersetzungsprozesses wurden mittels der Kissinger-Methode untersucht, und der katalytische Mechanismus wurde auf der Grundlage der Elektronentransfertheorie analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass aktive Zentren – wie die zahlreich vorhandenen Oberflächen-Hydroxylgruppen, niedrig koordinierte Hydroxylgruppen und H⁻-Ionen auf der Nanokristalloberfläche – als Elektronenfallen fungieren und den Elektronentransfer beschleunigen können. Darüber hinaus erhöht die geringe Korngröße des Nanomaterials die Anzahl der Atome mit ungesättigter Koordination an der Oberfläche, wodurch eine Vielzahl hochaktiver Kanten, zentraler Defektstellen und unvollständiger Kristallebenen entsteht; diese Oberflächeneffekte steigern die katalytische Leistungsfähigkeit erheblich.