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大气压流动气氛过程中实现尺寸可控的纳米粒子合成

 更新时间:2023-10-27 点击量:556

引言


在之前的文章中我们介绍了大气压条件下的火花烧蚀(spark ablation)技术,可实现纳米粒子的连续气相合成。通过控制粒子生长区的温度以保证碰撞原子或颗粒的聚结,原则上可以调节单线态颗粒的尺寸——从单个原子的尺度到任何期望的值。结合火花烧蚀的放大和无限混合能力,可以实现在工业规模上低成本生产先进材料纳米制造的关键模块构筑。


工程纳米粒子 (ENP) 用于可印刷电子、能量转换和存储、催化、传感器技术以及医学领域新型关键纳米结构材料。ENP 的尺寸和成分是决定所得材料和产品性能最重要的变量。


在本文中,我们通过创造“单线态"颗粒生产的可扩展概念,挑战“气相中纳米颗粒合成导致团聚"。使用火花烧蚀可以产生从几个原子簇到任何所需尺寸的颗粒的单态,在高通量和超纯生产方面表现出巨大的灵活性。从而有利于 ENP 合成并实现低成本制造工业规模的纳米材料。


01  更清洁、更简单的干气相工艺


传统上,ENP 的生成是通过湿化学技术进行的,该技术提供了控制颗粒形状的可能性。然而,这些技术使用的前体溶液通常会导致合成的 ENP 中产生杂质和危险废物。


与传统的湿化学技术方法相比,干气相方法提供了更通用和更环保的替代方案。制备步骤更少,而且能够以连续的方式生产 ENP。整个过程允许简单连续的调节,并且很少产生浪费。


清洁、简单的气相工艺,例如火花烧蚀,可以直接局部汽化块状材料形成纳米颗粒,避免任何额外化合物的参与并保证纳米粒子的高纯度。得到的超纯纳米粒子可以在气相中进一步加工,然后沉积固定到各种平坦或多孔的基底,例如硅晶片、载玻片、聚合物、滤膜和陶瓷上,从而为生产分层图案涂层和薄膜开辟了新的可能性。除此之外,气相合成的纳米颗粒还可以悬浮在液体中,与湿化学路线耦合,从而创造其他创新材料合成的方法。


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脉冲放电将电极材料闪蒸



01  火花烧蚀气溶胶法可匹配多种收集颗粒的方式,灵活性强


02  更灵活的纳米颗粒尺寸


由于快速动力学,连续气相方法通常会产生由难以分开的初级颗粒(通常被认为是颗粒可以具有的最小尺寸)组成的团聚体。因此,之前的许多工作都集中在如何避免这些颗粒在沉积或固定之前发生碰撞。例如,在火花放电中,可以通过使用高空间电荷密度来减少团聚,但这可能是该技术实现可扩展性的限制因素。


在火花烧蚀技术中,金属蒸气是通过放电进行局部材料烧蚀而产生的。蒸气被可变温度的惰性气流穿过骤冷,从而冷凝产生颗粒。由于快速淬灭的蒸气达到的过饱和度非常高,临界尺寸被推低至原子尺度。因此,粒子-粒子碰撞控制的生长可以被认为是从原子尺度开始的。但这种简化仅在点源排放的蒸气快速熄灭的情况下有效。


如果像大多数气相纳米粒子的生产方法一样,骤冷流量较低(冷却速率相当低),则需要更复杂的模型来描述粒子形成和生长。即使在室温下,该过程早期阶段形成的原子簇和最小的纳米粒子也是液体状的。因此,当彼此碰撞时,会合并成单线态并生长到临界尺寸。如果超过该尺寸在选定的操作温度下仅部分发生或停止聚结,这标志着颗粒团聚的开始,从而导致非球形或团聚颗粒。在急剧淬火的过程中,颗粒生长阶段的温度可以与局部汽化分离,并且可以设置保证聚结的值。与其他高温气溶胶合成方法相比,该特征在控制所得纳米颗粒的尺寸方面提供了极大的灵活性。


大气压下材料烧蚀形成单线态和团聚气溶胶纳米粒子的示意图


原则上,通过火花烧蚀(以及任何其他类似的气相过程)产生的单线态粒子的 GMD 可以通过仔细改变气体流速 Q 和质量生产率来实现;通过改变火花能量 E 和火花重复频率 F 以此实现从原子团簇调整到任何所需的尺寸。在这一过程中,必须选择足够高的操作温度和高纯度的载气以达到聚结。


03  总结


在本文中,我们介绍了在纳米尺寸甚至更低尺寸范围内连续气相合成单线态粒子的一般概念。通过在颗粒生长区域使用超纯载气和足够高的温度来促进聚结,这一概念已经在合成小于约 100 nm 的金纳米颗粒的实验中进行了测试。




结合连续气相工艺的各种优点,包括其可扩展性、颗粒纯度高和多功能性(即火花烧蚀能够实现生成几乎任何无机成分或混合物的颗粒),这里用作示例的方法(火花烧蚀)在超纯单线态的高通量生产方面表现出巨大的灵活性,特别是在尺寸范围低于 10 nm 的情况下,而其他连续可扩展方法几乎不存在。因此,该技术促进了 ENP 合成的进步,并为工业规模高效经济地应用新型纳米材料铺平了道路。


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参考文献


【1】Feng J, Biskos G, Schmidt-Ott A. Toward industrial scale synthesis of ultrapure singlet nanoparticles with controllable sizes in a continuous gas-phase process[J]. Scientific reports, 2015, 5(1): 15788.


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