粉體噴霧熱解技術原理與應用

噴霧熱解制備技術工作原理、設備類型、原料組成和工藝控制策略、粉體形貌調控、前處理及后處理技術及其應用。 1.噴霧設備：主要介紹不同類型噴霧器的工作原理及優缺點； 2.原料方面：采用無機鹽或金屬有機物作為原料； 3.工藝參數：通過溫度、時間、氣壓等參數對粉體材料的特性進行調控； 4.前處理：主要包括原料的選擇及合成；后處理：主要包括對粉體材料的破碎和篩分等處理； 5.典型納米粉體形貌特征及其在不同領域中的應用：電池領域主要是在鋰離子電池電極材料與固態電解質中的應用；光伏領域主要介紹在太陽能電池中作為染料和散粒層的應用；催化方面，主要是高活性催化劑。

在我們的日常生活中，從環保節能的光伏設備，追求高效能的電池技術，到高活性催化劑的研發，以及粉末冶金材料的制造，都離不開粉體材料的應用。特別是超細納米粉體材料，由于其獨特的物理和化學性質，被廣泛應用于各種科研和工業領域。
噴霧熱解制備技術是一種有效地制備高均質、超細納米粉體材料的方法，它不僅可以應用于大規模生產，而且可以通過工藝參數調控制備出不同形貌特性、顯微組織和性質的粉體材料。噴霧器通過高壓空氣將液態的原料分散成微滴，然后噴入預置一定溫度的加熱爐內進行快速熱解或氧化反應。該方法具有操作簡單、投資成本低廉、工藝簡捷的優勢。
本書全面介紹了噴霧熱解制備技術，包括其工作原理、設備類型、原料組成和工藝控制策略、前處理及后處理技術。噴霧設備方面，主要介紹不同類型噴霧器的工作原理及優缺點；原料方面，通常采用無機鹽或金屬有機物作為原料；工藝參數方面，通過溫度、時間、氣壓等參數對粉體材料的特性進行調控。前處理主要包括原料的選擇及合成；后處理主要包括對粉體材料的破碎和篩分等處理。同時，本書還介紹了噴霧熱解制備的典型納米粉體及其形貌特征，及其在不同領域中的應用，如在鋰離子電池電極材料與固態電解質中的應用；在太陽能電池中作為染料和散粒層的應用；作為環境污染物降解的催化材料以及在能源存儲與轉換方面和影像檢測與傳感等領域。
本書整合了噴霧熱解制備技術的最新進展，可為相關領域的研究人員及工程技術人員提供參考，適合材料科學與工程、化學工程和新能源相關領域的研究人員和學生閱讀，也適合從事粉體材料制備和應用的工程師和技術人員參考。希望能以此書為載體，積極推動相關技術的發展與廣泛應用。

編著者
2023年9月

鮑瑞，昆明理工大學材料科學與工程學院，教授，博士生導師。云南省材料基因研究院、云南省先進粉體材料創新團隊骨干成員，云南省青年拔尖人才（2018年），國家公派英國諾丁漢大學訪問學者，興滇人才研修訪學計劃獲得者（2019年）。 2013年從中南大學粉末冶金研究院獲得博士學位后一直從事粉末冶金、有色金屬復合材料等領域的研究工作；創新性的采用微波選擇性加熱純化碳納米管，采用噴霧熱解制備金屬基復合粉體，并成功的將碳量子點用于金屬基復合材料的制備。目前已經主持噴霧熱相關國家自然基金3項，省部級重大課題4項。 目前已獲中國有色金屬工業科學技術一等獎和二等獎各1項，寧波市科技進步獎一等獎1項；主持了國家自然基金面上項目、地區項目和應急管理項目（各1項），云南省科技廳重大科技項目（2項）和面上項目（1項），以及中南大學粉末冶金研究國家重點實驗室開放課題、江西理工大學稀有稀土資源開發與利用省部共建協同創新中心開放課題、云南錫業股份集團公司、云銅股份有限公司等多項橫向課題。擔任《中國有色金屬學報》（中英版）青年編委，《粉末冶金材料科學與工程》期刊編委，《硬質合金》期刊編委，多個國際期刊審稿人；在國內外期刊發表SCI論文30余篇，授權國家發明專利20余件。

噴霧熱解技術是一種利用高溫場，通過對液體前驅體進行霧化、干燥和熱解制備粉體的技術。本書系統介紹了噴霧熱解技術的工作原理、設備類型、原料組成和工藝控制策略、前處理和后處理技術，并詳細介紹了噴霧熱解制備的粉體形貌及其在可充電電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容器、高活性催化劑領域的應用。
本書適合材料、化工和新能源相關領域的研究人員和學生閱讀，也可作為粉體材料制備和應用相關領域工程師和技術人員的參考用書。

第1章　緒論001
1.1　基本定義001
1.2　噴霧熱解技術的發展歷史與現狀003
1.3　噴霧熱解技術的特點005
參考文獻007

第2章　噴霧熱解的原理和系統008
2.1　噴霧干燥008
2.1.1　噴霧干燥過程011
2.1.2　噴霧干燥系統011
2.2　噴霧熱解024
2.2.1　噴霧熱解過程025
2.2.2　噴霧熱解系統028
2.3　霧化機理030
2.3.1　射流破碎霧化031
2.3.2　薄膜破碎霧化032
2.3.3　霧化過程中的不穩定波034
2.4　液體霧化的質量評估036
2.4.1　霧化滴徑036
2.4.2　滴徑分布039
2.4.3　霧化角040
2.5　液體霧化過程042
2.6　液滴受力分析045
2.7　霧化方法和結構046
2.7.1　直流式壓力霧化及噴嘴046
2.7.2　液體旋流強化050
2.7.3　機械式液流旋轉霧化053
2.7.4　介質輔助霧化053
2.7.5　擋槽強化霧化057
2.7.6　外部場強化霧化060
2.7.7　霧化噴嘴的分析比較064
2.8　霧化過程模擬066
2.8.1　霧化過程的實驗研究066
2.8.2　數值模擬067
參考文獻068

第3章　原料組成和工藝控制策略079
3.1　前驅體溶液080
3.1.1　金屬鹽的選擇080
3.1.2　添加劑083
3.1.3　溶劑086
3.2　工藝控制087
3.2.1　霧化方式087
3.2.2　載氣和流速089
3.2.3　熱解腔體090
3.2.4　工作溫度090
參考文獻091

第4章　噴霧熱解粉體的形貌調控095
4.1　空心球096
4.2　實心球103
4.3　卵黃殼結構106
4.4　核殼結構109
4.5　納米板113
4.6　薄膜材料114
4.7　一維結構117
4.8　立方形顆粒119
4.9　環形顆粒120
4.10　其他形貌顆粒121
4.10.1　瓶子狀顆粒121
4.10.2　酒窩顆狀粒122
4.10.3　皺形顆粒122
4.10.4　斑點顆粒123
4.10.5　層狀結構的顆粒124
4.10.6　串珠狀顆粒124
4.10.7　納米顆粒124
參考文獻128

第5章　噴霧熱解的前處理和后處理136
5.1　鹽溶液的除雜提純技術137
5.1.1　沉淀除雜法138
5.1.2　氨溶結晶法139
5.1.3　溶劑萃取法139
5.1.4　離子交換法141
5.2　粉體的表面處理142
5.2.1　粉體表面處理目的143
5.2.2　粉體表面處理方法148
5.3　熱處理153
5.4　球磨破碎156
5.4.1　球磨機的工作原理及機內運動軌跡分析156
5.4.2　強制球磨156
5.4.3　噴霧熱解與球磨工藝聯用159
5.5　分級162
5.5.1　分級的原理162
5.5.2　分級的關鍵問題163
5.5.3　分級機的分類163
參考文獻164

第6章　噴霧熱解的應用169
6.1　可充電電池169
6.1.1　鋰離子電池171
6.1.2　鈉離子電池180
6.1.3　鋰-硫電池195
6.1.4　鋅空氣電池199
6.2　燃料電池199
6.3　太陽能電池205
6.3.1　晶體硅太陽能電池205
6.3.2　薄膜太陽能電池209
6.3.3　其他太陽能電池213
6.4　超級電容器220
6.4.1　EDLC 型材料221
6.4.2　法拉第贗電容型材料223
6.4.3　混合型材料224
6.5　高活性催化劑225
6.5.1　催化產氫228
6.5.2　氧還原反應229
6.5.3　二氧化碳還原（CRR） 232
6.6　其他234
參考文獻236

第7章　工程化應用及案例264
7.1　工程化應用264
7.1.1　存在的問題265
7.1.2　市場前景267
7.1.3　市場競爭267
7.1.4　可持續發展268
7.2　工程案例269
7.2.1　氧化鎳的生產制備269
7.2.2　鈉電池正極前驅體的制備271
7.2.3　預合金粉的制備272