一种喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统

1.本发明属于纳米材料合成相关技术领域，更具体地，涉及一种喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统。


背景技术：

2.纳米材料在催化、医药、材料、电子等领域有着广泛的运用，其中纳米颗粒因具备独特的物理化学特性，其制备方式逐渐成为关注的热点。火焰喷雾燃烧是近年发展起来的一种高通量纳米材料合成工艺，实验室尺度的设备能够达到每小时一百克以上的纳米颗粒产率，因此该方法非常适合工业放大进行大规模生产，广泛用于制备各种不同结构和尺寸的氧化物颗粒。
3.与传统的湿化学合成方法相比，火焰喷雾燃烧方法直接利用火焰的能量，一步快速合成，没有繁冗的后处理步骤(如老化、干燥、退火等)，且在生成过程中不产生废液、废渣，具有节能、环保、高效的特点；在火焰合成过程中，多组分金属氧化物可以在原子尺度上实现混合，纳米材料表面的活性相具有极高的分散度；无需煅烧过程使得活性相仍能保持高分散，使得金属氧化物的有效负载量可以得到可观的增长；通过对湍流火焰的控制，可以实现功能纳米颗粒的高通量合成；纳米粒子的特性可以通过操作条件来调整，如前驱体类型、浓度、流速、溶剂类型、分散气体类型、分散气体流量、以及其他工艺条件。因此，火焰喷雾燃烧合成纳米颗粒系统可以极大扩充火焰合成方式的适用范围，为制备功能纳米材料开拓了新途径。现在常见的实验尺度的喷雾热解燃烧合成纳米颗粒装置，由于进气通道单一限制了氧气流速，存在颗粒团聚烧结、颗粒上有机物残留、产率低等缺点。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统采用湍流燃烧器形成稳定的湍流火焰，通过将前驱物直接高压喷射雾化，配合分散气体形成不同当量比的燃烧氛围，加入二次补气设备，可以更进一步调控纳米颗粒在高温区的生长环境，以实现纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制，并能极大地扩展颗粒的结构和组分，液态前驱体的流速可调节范围大幅提升，能显著增加纳米颗粒的产率，能够达到火焰纳米颗粒合成的工业化放大。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统包括湍流燃烧器、注射泵、伸缩式点火器及不锈钢隔离罩，所述注射泵连接于所述湍流燃烧器，所述不锈钢隔离罩设置在所述湍流燃烧器的上方，所述伸缩式点火器设置在所述湍流燃烧器与所述不锈钢隔离罩之间；
6.所述湍流燃烧器包括第一圆管、第二圆管、多个气体喷嘴、第三圆管、第四圆管、毛细针管及活动喷嘴，所述第二圆管设置在所述第一圆管内，所述第三圆管设置在所述第二圆管内，所述第四圆管设置在所述第三圆管内；所述第一圆管与所述第二圆管之间设置有鞘气管路，所述鞘气管路用于供鞘气通过以进入所述第一圆管与所述第二圆管之间的间隙
中；所述气体喷嘴设置在所述第二圆管与所述第三圆管之间；所述第三圆管与所述第四圆管之间设置有预混气管路；所述第四圆管的一端形成第一圆孔，另一端形成有锥形孔，所述锥形孔的大端孔壁与所述第一圆孔的孔壁相连接，所述第一圆孔与所述锥形孔共同形成收容孔，所述活动喷嘴活动地设置在所述收容孔内；所述活动喷嘴与所述第四圆管之间形成第一分散气管路；所述毛细针管设置在所述活动喷嘴内，且其贯穿所述活动喷嘴；其中，所述毛细针管远离所述不锈钢隔离罩的一端连接于所述注射泵。
7.进一步地，通过调节所述活动喷嘴相对于所述锥形孔的位姿来改变所述第一分散气管路出口的大小及压力。
8.进一步地，所述第一圆管的外径、所述第二圆管的外径、所述第三圆管的外径及所述第四圆管的外径依次减小。
9.进一步地，所述系统还包括夹具，所述夹具设置在所述第二圆管与所述第三圆管之间，所述气体喷嘴设置在所述夹具上，通过所述夹具来调节所述气体喷嘴的位姿。
10.进一步地，前驱体经所述注射泵吸引而进入所述毛细针管，并由所述毛细针管喷射雾化；预混气被所述伸缩式点火器点燃形成预混火焰，雾化后的前驱体经由分散气进一步扩散并由预混火焰或伸缩式点火器直接点燃，以形成稳定的湍流火焰；所述气体喷嘴喷射含氧混合气体以对火焰进行二次补气。
11.进一步地，所述系统还包括玻璃纤维滤纸及空气泵，所述不锈钢隔离罩远离所述湍流燃烧器的一端设置有玻璃纤维滤纸，盖板设置在所述不锈钢隔离罩上，且所述玻璃纤维滤纸位于所述盖板与所述不锈钢隔离罩之间；所述空气泵通过管道连接于所述玻璃纤维滤纸；所述空气泵吸引颗粒流到所述玻璃纤维滤纸上以进行收集。
12.进一步地，所述毛细针管的数量为至少四个，至少四个所述毛细针管绕所述活动喷嘴的中心轴均匀排布。
13.进一步地，所述活动喷嘴开设有内部分散气管路，所述内部分散气管路的中心轴与所述活动喷嘴的中心轴重合；至少四个所述毛细针管绕所述内部分散气管路排布。
14.进一步地，至少四个所述毛细针管均能够被单独控制。
15.进一步地，所述第一圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴、所述第四圆管的中心轴及所述内部分散气管路的中心轴重合。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统主要具有以下有益效果：
17.1.通过二次补气可以稀释高温区纳米颗粒浓度，减少颗粒的团聚和烧结；消除一次燃烧中未燃尽的气态前驱体和吸附在颗粒表面的有机物；颗粒可以进行二次煅烧控制纳米材料的晶相与粒径分布度；通过氧气的二次补充进一步增加了液相前驱物比例、种类的选择，扩宽了纳米颗粒的结构和组分。
18.2.由于二次氧气补给，液相前驱物供给流速可以进一步提高，能显著增加纳米颗粒的产率；二次补气设备可以有效地阻止颗粒在高温区的扩散，能明显减少颗粒在不锈钢隔离罩上的沉积；通过灵活调节分散气和二次补气中氧气浓度，进一步增强喷雾燃烧合成中氧气与燃料当量比的控制。
19.3.两条及以上的前驱体管路增加了液相金属有机前驱物比例、种类的选择，扩宽了纳米颗粒的结构和组分；内外双层助燃气的引入可以进一步提高液相前驱物供给流量，
能显著增加纳米颗粒的产率。
20.4.通入内部外部助燃气可以极大地避免颗粒的烧结和团聚，外部助燃气相互交叉形成圆锥状风墙以防止纳米颗粒向四周扩散到不锈钢隔离罩上，内部助燃气可以喷射纯氩气以焠熄湍流火焰，减少颗粒的团聚和烧结现象，增加纳米材料的比表面积。
附图说明
21.图1是本发明实施例1提供的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的示意图；
22.图2是图1中的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的燃烧器的结构示意图；
23.图3是本发明实施例2提供的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的示意图；
24.图4是图3中的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统的燃烧器的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1
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鞘气管路，2
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气体喷嘴，3
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预混火焰，4
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分散气管路，5
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前驱体管路，6
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注射泵，7
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毛细针管，8
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伸缩式点火器，9
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不锈钢隔离罩，10
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玻璃纤维滤纸，11
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空气泵，12
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夹具，13
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活动喷嘴。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.实施例1
27.请参阅图1及图2，本发明实施例1提供的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统采用湍流燃烧器形成稳定的湍流火焰，通过将前驱物直接喷射雾化，配合分散气体形成不同当量比的燃烧氛围。加入二次补气部件可以更进一步调控纳米颗粒在高温区的生长环境，以实现纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制，并能极大地扩展颗粒的结构和组分。由于氧气的进一步补充，液态前驱体的流速可调节范围大幅提升，能够显著增加纳米颗粒的产率，能够达成火焰纳米颗粒合成的工业化放大。液态前驱体由注射泵通过毛细针管形成喷雾，由含氧的分散气对喷雾进行点燃和扩散。通过调节气体喷嘴的角度，在火焰高温区域进行二次补气，实现了分区的加热和燃烧。其中，可以调节二次补气中含氧浓度，以形成不同的氧燃当量比，该系统具备减少颗粒的团聚和烧结、不需二次煅烧、产率高等优点。
28.所述系统包括湍流燃烧器、注射泵6、伸缩式点火器8、不锈钢隔离罩9、玻璃纤维滤纸10、空气泵11及夹具12。所述夹具12连接于所述湍流燃烧器，所述不锈钢隔离罩9设置在所述湍流燃烧器的上方，所述伸缩式点火器8位于所述不锈钢隔离罩9与所述湍流燃烧器之间。所述不锈钢隔离罩9远离所述湍流燃烧器的一端设置有玻璃纤维滤纸10，盖板设置在所述不锈钢隔离罩9上，且所述玻璃纤维滤纸10位于所述盖板与所述不锈钢隔离罩9之间。所述空气泵11通过管道连接于所述玻璃纤维滤纸10。所述注射泵6连接于所述湍流燃烧器。其中，所述盖板上设置有冷却管道，所述冷却管道用于供冷却水流通，以进行冷却。
29.所述湍流燃烧器包括第一圆管、第二圆管、多个气体喷嘴2、第三圆管、第四圆管、毛细针管7及活动喷嘴13，所述第二圆管设置在所述第一圆管内，所述第三圆管设置在所述
第二圆管内，所述第四圆管设置在所述第三圆管内。所述第一圆管的外径、所述第二圆管的外径、所述第三圆管的外径及所述第四圆管的外径依次减小。
30.所述第一圆管与所述第二圆管之间设置有鞘气管路1，所述鞘气管路1用于供鞘气通过以进入所述第一圆管与所述第二圆管之间的间隙中。所述气体喷嘴2设置在所述第二圆管与所述第三圆管之间。所述夹具12设置在所述第二圆管与所述第三圆管之间，所述气体喷嘴2设置在所述夹具12上，通过所述夹具12可以调节所述气体喷嘴2的位姿。所述第三圆管与所述第四圆管之间设置有预混气管路，所述预混气管路用于供预混气流通，以供预混气进入所述第三圆管与所述第四圆管之间的间隙中。
31.所述第四圆管的一端形成第一圆孔，另一端形成有锥形孔，所述锥形孔的大端孔壁与所述第一圆孔的孔壁相连接，所述第一圆孔与所述锥形孔形成收容孔，所述活动喷嘴13活动地设置在所述收容孔内。
32.所述活动喷嘴13与所述第四圆管之间形成分散气管路4，通过调节所述活动喷嘴13相对于所述锥形孔的位姿来改变所述分散气管路4出口的大小及压力，进而调整分散气的进入量。
33.所述毛细针管7设置在所述活动喷嘴13内，且其贯穿所述活动喷嘴13。所述毛细针管7远离所述不锈钢隔离罩9的一端连接于所述注射泵6，所述注射泵6用于抽吸前驱体。
34.本实施方式中，所述活动喷嘴13内也设置有冷却管道，所述冷却管道内通有冷却水，以对所述活动喷嘴13进行冷却；所述第一圆管的中心轴、所述第二圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴、所述第四圆管的中心轴及所述毛细针管7的中心轴重合；多个所述气体喷嘴2绕所述第四圆管的中心轴均匀分布，所述气体喷嘴2的数量为四个，可以理解，在其他实施方式中，所述气体喷嘴2的数量可以根据实际需要增加或者减少。
35.纳米颗粒喷雾燃烧合成主要包括液体前驱物制备、前驱物溶液的喷射雾化及湍流火焰燃烧、以及纳米颗粒的收集。根据目标纳米颗粒的结构和组分，选取对应的金属有机盐作为金属前驱物。由于金属乙酸盐和金属硝酸盐气化分解温度高会导致纳米颗粒尺寸均一性差，因此应选取对应的金属2
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乙基己酸盐和乙酰丙酮盐；并同时根据上述金属有机盐种类选择溶解度较好的有机燃料，包括二甲苯、乙醇、丁醇或丙酸。由于二次补气中氧气的加入，金属离子浓度范围可以显著地超过常规燃烧器的浓度上限。将金属有机盐溶解于有机燃料中并超声波处理，保证金属有机盐的完全溶解且混合均匀。
36.前驱体经所述注射泵6吸引而进入所述前驱体管路，进而进入所述毛细针管7，并由所述毛细针管7喷射雾化，预混气被所述伸缩式点火器8点燃形成预混火焰，雾化后的前驱体经由分散气进一步扩散并由预混火焰或伸缩式点火器8直接点燃，以形成稳定的湍流火焰。气体喷嘴2喷射含氧混合气体对喷雾火焰进行二次补气，调节气体喷嘴2的角度，使之汇聚于火焰燃烧区域，达到补充氧气和二次煅烧的目的。燃烧器最外围鞘气由惰性气体组成，隔绝外界空气和保护燃烧火焰的稳定。高温的纳米颗粒被不锈钢隔离罩9保护，防止扩散到周围环境中。空气泵11吸引颗粒流到玻璃纤维滤纸10上以进行收集。
37.实施例2
38.请参阅图3及图4，本发明实施例2提供的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，所述系统选用湍流燃烧器形成稳定的湍流火焰，通过将前驱物直接高压喷射雾化，配合助燃气形成不同当量比的燃烧氛围。加入多个前驱体管路，可以更进一步调控纳米颗粒在高温区的生
长环境，以实现纳米颗粒粒径分布、相貌尺寸和晶相纯度的精准控制，并能极大地扩展颗粒的结构和组分。液态前驱体的流速可调节范围大幅提升，能够显著增加纳米颗粒的产率，能够达成火焰纳米颗粒合成的工业化放大。液态前驱体由高压注射泵通过毛细针管形成喷雾，由氧气和氩气组成的内部和外部助燃气对喷雾进行点燃和扩散。其中可以调节助燃气中氧气组成比例，以形成不同的氧气燃料当量比。通过调节毛细针管的高度，改变前驱体喷雾汇聚于火焰的时间和区域。两条以上的前驱体管路至少可以形成两种以上不同的金属前驱体溶液，可以形成多元的金属氧化物和多种元素的掺杂与负载，极大地扩充了纳米颗粒的结构和组分。本实施方式具备减少颗粒的团聚和烧结，增加颗粒的结构和组分、产率高等优点。
39.所述系统包括湍流燃烧器、注射泵、伸缩式点火器、不锈钢隔离罩、玻璃纤维滤纸及空气泵，所述不锈钢隔离罩设置在所述湍流燃烧器的上方，所述伸缩式点火器设置在所述不锈钢隔离罩与所述湍流燃烧器之间。所述玻璃纤维滤纸设置在所述不锈钢隔离罩远离所述湍流燃烧器的一端上，且所述不锈钢隔离罩上设置有盖板，所述玻璃纤维滤纸设置在所述盖板与所述不锈钢隔离罩之间。所述空气泵连接于所述玻璃纤维滤纸。其中，所述盖板上设置有冷却管道，所述冷却管道用于供冷却水流通，以进行冷却。
40.所述湍流燃烧器包括第一圆管、第三圆管、第四圆管、至少四个毛细针管及活动喷嘴，所述第三圆管设置在所述第一圆管内，所述第四圆管设置在所述第三圆管内。所述第一圆管的外径、所述第三圆管的外径及所述第四圆管的外径依次减小。
41.所述第一圆管与所述第三圆管之间设置有鞘气管路，所述鞘气管路用于供鞘气通过以进入所述第一圆管与所述第三圆管之间的间隙中。所述第三圆管与所述第四圆管之间设置有预混气管路，所述预混气管路用于供预混气流通，以供预混气进入所述第三圆管与所述第四圆管之间的间隙中。
42.所述第四圆管的一端形成第一圆孔，另一端形成有锥形孔，所述锥形孔的大端孔壁与所述第一圆孔的孔壁相连接，所述第一圆孔与所述锥形孔形成收容孔，所述活动喷嘴活动地设置在所述收容孔内。
43.所述活动喷嘴与所述第四圆管之间形成第一分散气管路，通过调节所述活动喷嘴相对于所述锥形孔的位姿来改变所述第一分散气管路出口的大小及压力，继而调节分散气的进入量。其中，所述第一分散气管路又称为外部分散气管路。
44.至少四个所述毛细针管设置在所述活动喷嘴内，其贯穿所述活动喷嘴。所述毛细针管远离所述不锈钢隔离罩的一端连接于所述注射泵，所述注射泵用于抽吸前驱体。至少四个所述毛细针管绕所述活动喷嘴的中心轴均匀排布，所述活动喷嘴开设有内部分散气管路，所述内部分散气管路的中心轴与所述活动喷嘴的中心轴重合。
45.本实施方式中，所述活动喷嘴内也设置有冷却管道，所述冷却管道内通有冷却水，以对所述活动喷嘴进行冷却；所述第一圆管的中心轴、所述第三圆管的中心轴、所述第四圆管的中心轴及所述内部分散气管路的中心轴重合；所述毛细针管的数量为四个，可以理解，在其他实施方式中，所述毛细针管的数量可以根据实际需要增加或者减少。
46.所述毛细针管、对应的注射泵等都可以单独控制，例如四个毛细针管可以通入同一种前驱体溶液，其纳米颗粒的产率相较于传统的单喷嘴火焰合成设备直接扩大四倍。四个以上的毛细针管可以形成两种以上不同的金属前驱体溶液，可以形成多元的金属氧化物
和多种的元素的掺杂与负载，极大地扩充了纳米颗粒的结构和组分。
47.纳米颗粒喷雾燃烧合成主要包括液体前驱物制备、前驱物溶液的喷射雾化及湍流火焰燃烧、以及纳米颗粒的收集。根据目标纳米颗粒的结构和组分，选取对应的金属有机盐作为金属前驱物。由于金属乙酸盐和金属硝酸盐气化分解温度高会导致纳米颗粒尺寸均一性差，因此应选取对应的金属2
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乙基己酸盐和乙酰丙酮盐，并同时根据上述金属有机盐种类选择溶解度较好的有机燃料，包括二甲苯、乙醇、丁醇或丙酸。由于内部和外部同时通入含有氧气的助燃气，故金属离子浓度范围可以显著地超过常规燃烧器的浓度上限。将金属有机盐溶解于有机燃料中并超声波处理，保证金属有机盐的完全溶解且混合均匀。预混气被所述伸缩式点火器点燃形成预混火焰；前驱体溶液通过注射泵流经毛细针管喷射雾化，被预混火焰点燃，形成稳定的湍流火焰。调节四个毛细针管的角度，使之汇聚于不同的火焰燃烧区域。燃烧器最外围鞘气由惰性气体组成，隔绝外界空气和保护燃烧火焰的稳定。高温的纳米颗粒被不锈钢隔离罩保护，防止扩散到周围环境中。空气泵吸引颗粒流到玻璃纤维滤纸上以进行收集。
48.可以理解，本发明实施例1与实施例2可以相结合以得到新的喷雾燃烧合成纳米颗粒的系统，如采用实施例2的活动喷嘴替换实施例1的活动喷嘴，且将多个毛细针管的设置方式应用到实施例1中。
49.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。