一種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，屬于無機(jī)納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】。首先將可溶性易分解金屬鹽與水和乙醇的混合溶液配置成前驅(qū)體溶液，將上述步驟制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到霧滴；在載氣或風(fēng)扇作用下，將上述步驟制備得到霧滴帶入到微波中，快速干燥熱解，能制備得到納米粉體，納米粉體為納米殼層金屬氧化物或復(fù)合氧化物粉體。本發(fā)明利用超聲波和微波兩種方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，超聲波對(duì)液體中會(huì)由于空化作用產(chǎn)生大量微小氣泡，在液體表面上，這些大量細(xì)小液滴被拋離液面形成霧滴，且這些霧滴在一定時(shí)間內(nèi)具有球狀的空心小液泡結(jié)構(gòu)，微波加熱具有由內(nèi)而外均勻加熱、選擇性加熱、升溫速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及ー種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，屬于無機(jī)納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明采用超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法制備納米殼層金屬氧化物粉體、納米復(fù)合粉體和納米薄膜。
[0003]納米復(fù)合材料具有良好的性能，在光電顯示器件、透明電極、太陽能電池、液晶顯示、催化等方面得到廣泛的應(yīng)用，如ITO(Sn摻雜In203)、AZO(Al摻雜ZnO)、GZO(Ga摻雜ZnO)、IZO(In摻雜ZnO)、FT0(F摻雜Sn02)等。目前制取復(fù)合粉體的方法有共沉淀法、噴霧熱分解法、有機(jī)溶劑共沸法等。在這些方法中，前ー種方法的試劑易于獲得，但周期時(shí)間較長，而后ー種方法因需使用價(jià)格較高的有機(jī)試劑，成本高，故應(yīng)用較少，噴霧熱解法可快速獲得粒度均勻的粉體。
[0004]納米金屬氧化物粉體具有高比表面積、高活性、吸收和散射紫外線能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在冶金、化工、電子、環(huán)保和能源、磁性材料、精細(xì)陶瓷、傳感器以及日用化妝品和生物醫(yī)學(xué)等方面得到了開發(fā)和應(yīng)用，顯示出誘人的前景。要使納米粉體材料具有良好的性能，納米粉末的制備時(shí)關(guān)鍵。目前，納米粉體包括金屬氧化物及復(fù)合氧化物納米粉體的制備方法可分為物理方法和化學(xué)方法。
[0005]物理方法制備金屬氧化物及符合氧化物納米粉體包括物理粉碎法和機(jī)械球磨法。物理粉碎法是通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子，其特點(diǎn)是操作簡單、成本低、但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。機(jī)械球磨法是控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)丶{米粒子、合金納米粒子或復(fù)合材料的納米粒子。該方法具有操作簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)制備得到的產(chǎn)品純度低、顆粒分布不均勻。`
[0006]采用化學(xué)方法制備納米粉體材料是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，它包括氣相沉積法、沉淀法和溶膠凝膠法等。
[0007]氣相沉積法直接利用氣體或?qū)⑽镔|(zhì)變成氣體，再在氣態(tài)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最后再冷卻凝聚成納米顆粒。采用此方法制備的粉體粒徑分布較均勻，團(tuán)聚狀況輕，但是這種方法所需設(shè)備特殊而昂貴，試樣條件控制嚴(yán)格，操作復(fù)雜而不成熟。
[0008]目前，采用化學(xué)沉淀法制備納米粉體材料的研究較多，采用普通的化工設(shè)備，流程簡單，較適合于大規(guī)模生產(chǎn)，是目前制備納米粉體的熱點(diǎn)方法。但是，陰離子的洗滌困難，粉體易團(tuán)聚是該方法存在的主要問題。
[0009]溶膠凝膠法采用金屬鹽溶液、沉淀劑和表面活性劑等制備納米粉體前驅(qū)體，再經(jīng)嚴(yán)格陳化、洗滌、煅燒制備納米氧化物粉體材料。該エ藝優(yōu)點(diǎn)為制得的納米粉體粒徑均勻，成分穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于エ藝復(fù)雜、流程長、需要使用添加劑和表面活性剤，不僅增加了成本而且?guī)韽U水處理成本高等問題。
[0010]傳統(tǒng)的噴霧熱解法是在一定程度上結(jié)合了液相法和氣相法制備粉體技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的一種エ藝方法，一般采用壓カ噴霧方式將液體打散變?yōu)橐旱危賹?dǎo)入加熱爐腔體內(nèi)部進(jìn)行熱交換完成干燥和熱解過程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是干燥和熱解過程在ー個(gè)腔體中完成，直接得到產(chǎn)品，無需后續(xù)的過濾、洗滌、干燥、粉碎過程，操作簡單。但缺點(diǎn)為多采用煤氣、天然氣或重油作為熱源，不僅產(chǎn)生的大量廢氣須進(jìn)行單獨(dú)處理，而且廢氣帶走大量熱量，耗能較聞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供ー種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法。本發(fā)明利用超聲波和微波兩種方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可制備出納米殼層金屬氧化物粉體和納米復(fù)合粉體。超聲波對(duì)液體中會(huì)由于空化作用產(chǎn)生大量微小氣泡，在液體表面上，這些大量細(xì)小液滴被拋離液面形成霧滴，且這些霧滴在一定時(shí)間內(nèi)具有球狀的空心小液泡結(jié)構(gòu)。微波加熱具有由內(nèi)而外均勻加熱、選擇性加熱、升溫速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)進(jìn)入腔體內(nèi)的超聲波霧滴進(jìn)行快速升溫，使空泡狀霧滴瞬間干燥后再熱解或繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)エ序，得到納米殼層金屬氧化物粉體、納米復(fù)合粉體。因此，將超聲霧化與微波加熱相結(jié)合的噴霧熱解方法，可應(yīng)用到光催化等高新領(lǐng)域，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0012]一種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇的混合溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中混合溶液中水和こ醇的體積比為(50~100):(0~50)；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑10~200y m的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在溫度為300~1200°C條件下快速干燥熱解，能制備得到納米粉體，納米粉體為納米殼層金屬氧化物或復(fù)合氧化物粉體。
[0013]所述步驟(1)中前驅(qū)體溶液中可溶性金屬鹽的摩爾濃度為0.001~2mol/L。
[0014]所述可溶性易分解金屬鹽為單一金屬元素的金屬鹽時(shí)，制備得到的納米粉體為納米殼層金屬氧化物。
[0015]所述步驟(1)中除加入可溶性易分解単一金屬元素的金屬鹽外，還加入了另ー種不同元素的可溶性易分解鹽時(shí)，制備得到的納米粉體為復(fù)合氧化物粉體。
[0016]所述可溶性易分解金屬鹽為醋酸鹽、氯鹽、硝酸鹽或硫酸鹽。
[0017]上述制備復(fù)合氧化物粉體中，另ー種不同元素的可溶性易分解鹽可為非金屬鹽或
金屬鹽。
[0018]上述制備得到的納米粉體為復(fù)合氧化物粉體，所加入的不同元素的鹽與所需得到的納米復(fù)合粉體的元素相同，加入的不同元素的摩爾比也與所需得到的納米復(fù)合粉體中元素的摩爾比相同。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:(1)利用超聲波的方式霧化前驅(qū)體溶液，可通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率和功率控制霧化液滴的尺寸，進(jìn)而調(diào)節(jié)所制備的金屬氧化物的粒徑分布和形貌，即產(chǎn)品的粒徑和形貌可控；(2)采用微波加熱的方式精確控制熱解溫度，微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電爐、煤氣或重油等的加熱方式，具有加熱速度快、高效節(jié)能、易于控制、安全可靠、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)；(3)エ藝路線簡單，反應(yīng)過程快速平穩(wěn)，產(chǎn)生的廢氣經(jīng)吸收處理后，清潔無污染，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品純度高、質(zhì)量好；(4)該エ藝設(shè)備簡單，產(chǎn)物易于收集，可適用于連續(xù)化生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1對(duì)應(yīng)納米殼層氧化鋒粉體SEM不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明。
[0022]實(shí)施例1
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中水和こ醇溶液的體積比為100:0，前驅(qū)體溶液中可溶性金屬鹽的摩爾濃度為0.001mol/L，可溶性金屬鹽為醋酸鋅；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑IOym的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在450°C條件下快速干燥熱解，即能制備得到納米殼層氧化鋅粉體。
[0023]上述納米殼層金屬氧化物粉體的殼層厚度為IOnm左右，顆粒均勻分布，分散性良好，如圖1所示。
[0024]實(shí)施例2·
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中水和こ醇溶液的體積比為80:20，其中可溶性易分解金屬鹽為2.16g的InCl3.5H20和0.19g的SnCl2.2H20 ；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑IOOym的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在700°C條件下快速干燥熱解，即能制備得到納米ITO粉體。
[0025]實(shí)施例3
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中水和こ醇溶液的體積比為70:30，其中可溶性易分解金屬鹽為2.25g的SbCl3和6.75g的SnCl2.2H20 ；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑IOOym的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在600°C條件下快速干燥熱解，即能制備得到納米氧化銻摻雜氧化錫的復(fù)合金屬氧化物粉體。
[0026]實(shí)施例4
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中水和こ醇溶液的體積比為85:15，其中可溶性易分解金屬鹽為2.25g的NH4F和6g的SnCl4.5H20 ；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑IOOym的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在500°C條件下快速干燥熱解，即能制備得到納米納米FTO粉體。
[0027]實(shí)施例5
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下: (1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中水和こ醇溶液的體積比為50:50，其中可溶性金屬鹽的摩爾濃度為lmol/L，可溶性易分解金屬鹽為硝酸鋅；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑200u m的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在300°C條件下快速干燥熱解，即能制備得到納米殼層氧化鋅粉體。
[0028]實(shí)施例6
該超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其具體步驟如下:
(1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇的混合溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中混合溶液中水和こ醇的體積比為90:10，其中前驅(qū)體溶液中可溶性金屬鹽的摩爾濃度為2mol/L，可溶性易分解金屬鹽為硫酸銅；
(2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑100u m的霧滴；
(3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在溫度為1200°C條件下快速干燥熱解，能制備得到納米粉體，納米粉體為納米殼層氧化銅粉體。
【權(quán)利要求】
1.ー種超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)首先將可溶性易分解金屬鹽與水和こ醇的混合溶液配置成前驅(qū)體溶液，其中混合溶液中水和こ醇的體積比為(50~100):(0~50)； (2)將步驟(1)制備得到的前驅(qū)體溶液經(jīng)超聲波霧化得到均徑10~200y m的霧滴； (3)在載氣或風(fēng)扇作用下，將步驟(2)制備得到霧滴帶入到微波中，在溫度為300~1200°C條件下快速干燥熱解，能制備得到納米粉體，納米粉體為納米殼層金屬氧化物或復(fù)合氧化物粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其特征在于:所述步驟(1)中前驅(qū)體溶液中可溶性金屬鹽的摩爾濃度為0.001~2mol/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其特征在于:所述可溶性易分解金屬鹽為單一金屬元素的金屬鹽時(shí)，制備得到的納米粉體為納米殼層金屬氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其特征在于:所述步驟(1)中除加入可溶性易分解単一金屬元素的金屬鹽外，還加入了另ー種不同元素的可溶性易分解鹽時(shí)，制備得到的 納米粉體為復(fù)合氧化物粉體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的超聲波霧化-微波熱解制備納米粉體的方法，其特征在于:所述可溶性易分解金屬鹽為醋酸鹽、氯鹽、硝酸鹽或硫酸鹽。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103588175SQ201310609890
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】郭勝惠, 彭金輝, 張利華, 巨少華, 郭磊 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)