脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法及装置制造方法及图纸

一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法及装置，所述方法包括如下步骤：将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应，前驱体溶液中的前驱体形成预制备材料核，沉积，得到最终产品。本发明专利技术将脉冲式喷雾蒸发器与火焰喷雾热解方法相结合，精准调节液体原料中的前驱体浓度和喷雾喷嘴的喷射频率和打开时间，从而控制膜厚度，催化剂的化学计量和生长速率；同时，也避免了因前驱体溶液浓度波动导致的装置性能下降。

【技术实现步骤摘要】
脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法及装置
本专利技术涉及化学合成和燃烧领域，尤其涉及一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法及装置。
技术介绍
薄膜及纳米材料在现代技术中应用非常广泛。如：铁磁薄膜在计算机存储设备、医药品、薄膜电池、染料敏化太阳能电池等的应用，高硬度陶瓷薄膜在刀具上的使用。而纳米材料在许多工程领域中发挥着关键作用，包括能源(纳米电子，纳米催化材料，化石燃料燃烧)，环境(空气污染，气候变化)和生物技术(医学诊断，药物输送)等。随着人们对薄膜材料及纳米颗粒的性能和先进性的要求越来越高，其高效可控制备越来越受到关注，根据制备过程原理的不同，薄膜和纳米颗粒沉积的方法可分为物理和化学方法两类。前者包括机械研磨，物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)，激光烧蚀，分子束外延，热沉积和溅射法等。由于物理方法，很难有效的控制颗粒尺寸，且材料制备效率较低，所以一般只适用于特定的材料。后者主要包括气相沉积法和溶液技术。气相沉积法又分为化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)和原子层外延(AtomicLayerEpitaxy，ALE)两种。溶液技术包括喷雾热解法、溶胶-凝胶法、浸渍法、共沉淀法和旋转浸渍提拉法等技术均需使用前驱体溶液。而激光烧蚀、气相沉积和溶胶-凝胶法等效率较高的方法，均需使用专业设备，比如真空单元、大功率激光器和昂贵的前驱体材料。这就导致这些方法成本极其高昂。火焰喷雾热解法的优势在于工艺简单，易于控制最终产品的尺寸。具体而言就是能够提前将前驱体溶解在燃料中，简化了将前驱体送入热反应区(火焰反应器)的过程，同时能够灵活的使用高速喷雾器快速淬灭气溶胶。已经有一些研究不同火焰热解过程的文献。例如，在2002年，研究人员提出了一种火焰合成装置，该装置可以通过调节氧化剂的流速来合成纳米材料。以及前体/燃料的成分来控制催化剂的比表面积。2005年，另一位研究人员优化了用于合成钙钛矿混合金属催化剂的火焰喷雾热解装置，主要是利用点火器中CH4/O2混合物的流速以及流速和线速度来优化前体溶液的进料速度。2006年，另一项工作集中在一种新颖的火焰合成方法上，该方法使用气体和液体前体来生产纳米级氧化铝催化剂。该方法使用高温火焰加热原料并将其喷雾到冷凝室中，在冷凝室中将其冷凝成纳米级催化剂。在2019年，研究人员提出了一种火焰合成装置的改进方案，用于生产金属、非氧化陶瓷和还原性金属氧化物粉末。但是这些方法的效率过低，主要问题是这些方法中均存在颗粒向管壁的扩散与热泳过程，这导致颗粒的尺寸分布过广，不适用于绝大多数情况，通用性极差，且产量较低。并且现有的技术一般使用旋流火焰和通过超声雾化前驱体溶液后将其直接喷入反应室内的技术，火焰合成装置的进料频率和雾化后的前驱体溶液的持续时间很难被控制，这就可能导致前驱体溶液的浓度波动。进而影响最终产物的粒径与性能，如形态、表面积。综上所述，一种能权衡性价比和通用性并取得最佳效果的方法无疑具有极大的经济价值。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提出一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法及装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。作为本专利技术的一个方面，提供一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，包括如下步骤：将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应，前驱体溶液中的前驱体形成预制备材料核，沉积，得到最终产品。作为本专利技术的另一个方面，还提供一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成装置，包括：脉冲式喷雾蒸发器，用于对前驱体溶液进行脉冲式雾化；燃烧器，与所述脉冲式喷雾蒸发器相连，用于产生火焰，以便以脉冲式雾化进样的前驱体溶液在所述火焰中发生反应；收集器，用于收集所述前驱体溶液中的前驱体经形成预制备材料核并沉积后得到的最终产品。基于上述技术方案，本专利技术相对于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：(1)本专利技术将脉冲式喷雾蒸发器(PSE)与火焰喷雾热解方法相结合，精准调节液体原料中的前驱体浓度和喷雾喷嘴的喷射频率和打开时间(即调节前驱体流量)，从而控制膜厚度，催化剂的化学计量和生长速率；同时，也避免了因前驱体溶液浓度波动导致的装置性能下降，且不会增加成本；(2)本专利技术成本低、产率高、工艺简单且易于大规模生产，合成的催化剂活性较高，选择性好、稳定性好。附图说明图1为本专利技术实施例的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法流程示意图；图2为本专利技术实施例的脉冲式喷雾蒸发火焰合成装置示意图；图3为本专利技术实施例的燃烧器仰视示意图；图4为本专利技术实施例的燃烧器俯视示意图。以上附图中，附图标记含义如下：1、2、3、4-流量控制器；5、6-安全阀；7-存储箱；8-喷雾喷嘴；9-脉冲发生器；10-加热带；11-燃烧器；12-火焰；13-颗粒；14-最终产品；15-衬底；16-支架；17-水泵；18-进水阀；19-出水阀；20-样品进口；21-样品出口；22-燃料气进口；23-燃料气出口；24-浴气进口；25-浴气出口；26-冷却管的进口和出口。具体实施方式本专利技术提出了一种新型的火焰喷雾热解的方法，用于合成稳定性强、活性高的薄膜或纳米颗粒。同时本专利技术还提供了一种用于实现该方法的脉冲式喷雾蒸发火焰合成装置。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。作为本专利技术的一个方面，提供一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，包括如下步骤：将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应，前驱体溶液中的前驱体形成预制备材料核，沉积，得到最终产品。在本专利技术的实施例中，前驱体溶液以雾化形成的液滴状态样品被喷入到火焰中，在火焰中燃烧，前驱体发生热解反应形成预制备材料核；该预制备材料核可以理解为前驱体溶液中的前驱体经火焰热解形成的粉末；该粉末经沉积，得到最终产品。在本专利技术的实施例中，采用脉冲式雾化进样，保证前驱体溶液进样的浓度稳定，最终产品的形态均一。在本专利技术的实施例中，该热解反应可以为氧化反应或者水解反应，经热解反应产生金属氧化物。在本专利技术的实施例中，最终产品包括膜状物质或纳米颗粒状物质。在本专利技术的实施例中，最终产品可以为膜状物质或者纳米颗粒状物质；膜状结构或者纳米颗粒状结构可以通过控制平均沉积速率以及沉积时间来进行控制。在本专利技术的实施例中，其最终产品的厚度、化学计量以及生长速率，通过脉冲式雾化进样的射频频率以及脉宽来控制，在本专利技术的实施例中，脉冲式雾化进样方式，其射频频率小于100Hz；例如50Hz、30Hz、10Hz、5Hz、1Hz。在本专利技术的实施例中，脉宽在毫秒量级；例如1毫秒、2毫秒、5毫秒、8毫秒、10毫秒、50毫秒。在本专利技术的实施例中，该射频频率和脉宽的设置，适宜最终产品的厚度量级为纳米与微米之间，重量量级为毫克。在本专利技术的实施例中，最终产品的材质包括贵金属氧化物、过渡金属氧化物或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应，所述前驱体溶液中的前驱体形成预制备材料核，沉积，得到最终产品。/n

【技术特征摘要】
1.一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应，所述前驱体溶液中的前驱体形成预制备材料核，沉积，得到最终产品。


2.如权利要求1所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，脉冲式雾化进样方式，其射频频率小于100Hz；脉宽在毫秒量级。


3.如权利要求1所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，
所述最终产品包括膜状物质或纳米颗粒状物质；
所述最终产品的厚度量级为纳米与微米之间，重量量级为毫克；
所述最终产品的材质包括贵金属氧化物、过渡金属氧化物或钙钛矿。


4.如权利要求3所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，
所述最终产品的材质包括氧化铱、氧化钯、氧化钌、氧化铑、氧化铁、氧化铈、氧化铝、氧化铬、氧化钡、氧化锌、氧化镧钴、氧化镧锰中的一种或多种。


5.如权利要求1所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，
所述前驱体溶液包括前驱体和燃烧性溶剂；
所述燃烧性溶剂包括乙醇；
所述前驱体包括乙酰丙酮铱、乙酸钯、乙酸钌、乙酰丙酮铑、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮铈、乙酰丙酮铝、乙酰丙酮铬、乙酰丙酮钡、水合乙酰丙酮锌、乙酰丙酮镧水合物、乙酰丙酮钴水合物、乙酰丙酮锰水合物、乙酸镧水合物中的一种或多种；
其中，所述前驱体的浓度为毫摩尔每升量级。


6.如权利要求1所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，在所述将前驱体溶液以脉冲式雾化进样，喷入火焰中发生反应之前，还包括：
将氧化剂添加入以脉冲式雾化进样的样品中；
其中，所述氧化剂包括空气或者氧气。


7.如权利要求1所述的脉冲式喷雾蒸发火焰合成方法，其特征在于，
所述喷入火焰中发生反应还包括：
将燃料和浴气同时喷入所述火焰中；
其中，所述燃料包括气体或液体燃料；
所述浴气包括氮气或氩气。
火焰高度为5～15cm；温度范围为1500～2000℃。


8.一种脉冲式喷雾蒸发火焰合成装置，其特征在于，包括：
脉冲式喷雾蒸发器，用于对前驱体溶液进行脉冲式雾化；
燃烧器，与所述脉冲式喷雾蒸发器相连，用于产生火焰，以便以脉冲式雾化进样的前驱体溶液在所述火焰中发生反应；
收集器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田振玉，何忧，于丹，苏冠宇，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11