Continuous 2000 K droplet-to-particle synthesis

连续2000K液滴到颗粒合成

Xizheng Wang^1,†, Zhennan Huang^2,†, Liangbing Hu^1,*, Reza Shahbazian-Yassar^2,*

¹ Department of Materials Science and Engineering, University of Maryland, College Park, USA

² Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Illinois at Chicago, USA

DOI: 待补充 | Materials Today | 2019

论文亮点

            开发了基于碳化木微通道反应器的2000K高温气溶胶喷雾合成技术，比传统管式炉温度提高500K以上
首次实现了无载体、连续化合成高熵合金和高熵氧化物纳米颗粒，元素分布均匀

研究背景

纳米颗粒在能源存储、催化、生物医学等领域具有重要应用，但大规模高质量制备仍是挑战
传统气溶胶喷雾热解技术使用管式炉，温度限制在1500K以下，加热不均匀，产品质量控制困难
高熵合金/氧化物纳米颗粒需要高温(2000K)实现元素均匀混合，传统方法难以满足要求

研究方法

使用碳化轻木(balsa wood)作为微通道反应器，其天然通道直径约200μm，长度约4mm
通过焦耳加热使微通道反应器温度达到2000K，能量转换效率>90%
使用碰撞雾化器产生直径约1μm的液滴，包含金属盐前驱体
液滴在氩气载流下通过高温微通道，停留时间仅数十毫秒
高温促使盐分解和颗粒成核/生长，短停留时间抑制颗粒生长和团聚
合成的纳米颗粒通过PVDF膜收集，可连续生产

主要结论

碳化木微通道反应器可实现2000K高温均匀加热，比传统管式炉温度提高500K以上
成功合成了多种高熵合金(HEA)和高熵氧化物(HEO)纳米颗粒，元素分布均匀
微通道反应器的短停留时间(数十毫秒)有效抑制了颗粒生长和团聚
该方法可实现连续化、无载体的大规模纳米材料生产

图1：液滴到颗粒的合成过程及高熵合金纳米颗粒表征

分析结果：图1a展示了液滴通过碳化木微通道的示意图，载气将液滴输送通过加热至2000K的微通道。图1b显示了单个微通道内液滴到颗粒的演变过程，微通道充当微型 furnace。图1c展示了六元高熵合金(PdRuFeNiCuIr)纳米颗粒的HAADF-STEM图像和EDS元素分布图，证明所有六种元素均匀混合。

图2：碳化木微通道反应器的结构与性能

分析结果：图2a-c展示了碳化轻木的微观结构，其天然通道直径约200μm，比传统管式炉小100倍。图2d-f显示了碳化木的加热性能，通过焦耳加热可达到2000K高温。图2g-j比较了传统管式炉和微通道反应器的温度分布，显示微通道反应器加热更均匀、更快速。

图3：高熵合金和高熵氧化物纳米颗粒的表征

分析结果：图3a展示了五元高熵合金(CoNiPdRuIr)纳米颗粒的HAADF-STEM图像和EDS元素分布图，显示元素均匀分布。图3b显示了高分辨率TEM图像和FFT分析，证实了面心立方(FCC)结构。图3c展示了十元高熵合金(AuCoCuIrPtMnMoNiPdRu)纳米颗粒的元素分布图，证明即使元素性质差异大，也能实现均匀混合。图3d展示了五元高熵氧化物(ZnCoMnNiCuOₓ)纳米颗粒的元素分布图。

图4：合成机理与产物表征

分析结果：图4a提出了高熵合金在碳化木微通道反应器内的形成机理。图4b显示了不同温度下合成的CoNiPdRuIr高熵合金颗粒的SEM图像，表明2000K是实现均匀元素混合的必要条件。图4c展示了不同前驱体浓度下合成的颗粒尺寸分布，表明可通过动力学控制颗粒尺寸。图4d和4e展示了连续合成收集的纳米颗粒，证明了该方法的可扩展性。

表1：传统管式炉与微通道反应器的比较

比较项目	传统管式炉	微通道反应器
通道直径	≥2 cm	～200 µm
通道长度	≥40 cm	高度可调，约mm级
温度分布	不均匀	均匀
温度限制	<1500 K	≥2000 K
反应速率	低	高
停留时间	>1 s	约数十毫秒
合成高熵合金能力	弱	强

分析结果：微通道反应器在多个关键参数上优于传统管式炉，包括更小的尺寸、更高的温度、更均匀的加热、更短的停留时间和更强的高熵材料合成能力。