γ -Al2O3化学性质比较活泼, 体相中四面体、八面体空位较多, 表面铝离子配位也不饱和, 在高温和有水环境中, γ -Al2O3变得更加活泼, 接触到水即会与水结合, 液固界面发生荷电离子转移使γ -Al2O3表面水合形成氧化铝水合物。氧化铝表面化学吸附水的过程被认为是水和Al3+之间的酸碱反应, 其中L酸Al3+作为电子受体, L碱羟基作为电子供体[13]。

室温下, γ -Al2O3也会因吸水发生水合形成Al(OH)3, 见式(1), Al(OH)3形成速度和种类取决于环境温度, 暴露时间和中间体pH值[5, 6, 7, 8, 25, 26], 当pH值低于4时, 氧化铝水合主要形成无定形态的氧化铝水合物[5], 一般酸性和碱性条件下, 则分别形成三水铝石和拜耳石[25, 27, 28, 29]。水热条件下, 温度高于150 ℃时, γ -Al2O3水合产物为勃姆石[26], 见式(2), 相对于将氧化铝浸润于水中, 受限空间内水蒸汽处理的氧化铝更容易发生水合[30]。

γ -Al2O3+3H2O↔ 2Al(OH)3(1)

γ -Al2O3+H2O↔ 2γ -AlOOH(2)

Carrier X等[5]在早期研究中提出, γ -Al2O3水合过程有两种方式。第一种水合过程为氧化铝先溶解和水合氧化铝相继在氧化铝表面析出, 目前氧化物溶解过程的实质还不清楚, 但它必包含表面水合过程, 并且水合铝粒子与温度、pH值, 以及铝浓度有关。第二种水合过程是氧化铝表面Al-O键的水解。Eng P J等[31]在研究α -Al2O3 (0001)面的水合过程中发现, 氧化铝的水解可能是由于Al-O键的水解导致。最近, Aad J A等[9]研究γ -Al2O3在70 ℃水中水合行为时发现, 老化2 h的溶液中Al(Ⅲ )浓度增幅和pH值变化都比较大, 而随着老化时间增加, Al(Ⅲ )浓度和pH值最终达到平衡, γ -Al2O3表面也生成了固态Al(OH)3, 这一现象说明γ -Al2O3水合过程是氧化铝先溶解和水合氧化铝相继再析出的过程, 如式(3)和(4)所示:

Al2O3+3H2O↔ 2Al3++6OH-(3)

[Al(H2O)x(OH)y]3-y+(3-y)OH-↔ 2Al(OH)3(solid)+xH2O (4)

因γ -Al2O3应用广泛, 相关水合现象的报道较多, 但氧化铝水合并不局限于γ -Al2O3, 其他晶型(δ -Al2O3, θ -Al2O3, χ -Al2O3, κ -Al2O3和α-Al2O3)也均观察到存在水合现象[9, 31, 32, 33, 34, 35]。活性氧化铝水合会影响其表面酸性和羟基数量, Ravenelle R M等[26]指出γ -Al2O3在200 ℃水热6 h后, 其L酸总量从342 μ mol· g-1降低至42 μ mol· g-1。Li Juncheng等[6]通过红外谱图发现, γ -Al2O3在140 ℃水热处理2 h并在550 ℃焙烧后, 其表面羟基增多, 延长水热处理时间至(6~24) h, 其表面羟基显著降低。

氧化铝水合改变其形貌和织构性质, 氧化铝水合过程中, 水合氧化铝在氧化铝表面析出后作为成核质点并长大, 不仅堵塞孔道, 覆盖活性位, 而且因其质脆导致催化剂机械强度变差[9], 引起催化剂的不可逆失活[10, 11, 12]。