粉体喷雾热解技术原理与应用

喷雾热解制备技术工作原理、设备类型、原料组成和工艺控制策略、粉体形貌调控、前处理及后处理技术及其应用。 1.喷雾设备：主要介绍不同类型喷雾器的工作原理及优缺点； 2.原料方面：采用无机盐或金属有机物作为原料； 3.工艺参数：通过温度、时间、气压等参数对粉体材料的特性进行调控； 4.前处理：主要包括原料的选择及合成；后处理：主要包括对粉体材料的破碎和筛分等处理； 5.典型纳米粉体形貌特征及其在不同领域中的应用：电池领域主要是在锂离子电池电极材料与固态电解质中的应用；光伏领域主要介绍在太阳能电池中作为染料和散粒层的应用；催化方面，主要是高活性催化剂。

在我们的日常生活中，从环保节能的光伏设备，追求高效能的电池技术，到高活性催化剂的研发，以及粉末冶金材料的制造，都离不开粉体材料的应用。特别是超细纳米粉体材料，由于其独特的物理和化学性质，被广泛应用于各种科研和工业领域。
喷雾热解制备技术是一种有效地制备高均质、超细纳米粉体材料的方法，它不仅可以应用于大规模生产，而且可以通过工艺参数调控制备出不同形貌特性、显微组织和性质的粉体材料。喷雾器通过高压空气将液态的原料分散成微滴，然后喷入预置一定温度的加热炉内进行快速热解或氧化反应。该方法具有操作简单、投资成本低廉、工艺简捷的优势。
本书全面介绍了喷雾热解制备技术，包括其工作原理、设备类型、原料组成和工艺控制策略、前处理及后处理技术。喷雾设备方面，主要介绍不同类型喷雾器的工作原理及优缺点；原料方面，通常采用无机盐或金属有机物作为原料；工艺参数方面，通过温度、时间、气压等参数对粉体材料的特性进行调控。前处理主要包括原料的选择及合成；后处理主要包括对粉体材料的破碎和筛分等处理。同时，本书还介绍了喷雾热解制备的典型纳米粉体及其形貌特征，及其在不同领域中的应用，如在锂离子电池电极材料与固态电解质中的应用；在太阳能电池中作为染料和散粒层的应用；作为环境污染物降解的催化材料以及在能源存储与转换方面和影像检测与传感等领域。
本书整合了喷雾热解制备技术的最新进展，可为相关领域的研究人员及工程技术人员提供参考，适合材料科学与工程、化学工程和新能源相关领域的研究人员和学生阅读，也适合从事粉体材料制备和应用的工程师和技术人员参考。希望能以此书为载体，积极推动相关技术的发展与广泛应用。

编著者
2023年9月

鲍瑞，昆明理工大学材料科学与工程学院，教授，博士生导师。云南省材料基因研究院、云南省先进粉体材料创新团队骨干成员，云南省青年拔尖人才（2018年），国家公派英国诺丁汉大学访问学者，兴滇人才研修访学计划获得者（2019年）。 2013年从中南大学粉末冶金研究院获得博士学位后一直从事粉末冶金、有色金属复合材料等领域的研究工作；创新性的采用微波选择性加热纯化碳纳米管，采用喷雾热解制备金属基复合粉体，并成功的将碳量子点用于金属基复合材料的制备。目前已经主持喷雾热相关国家自然基金3项，省部级重大课题4项。 目前已获中国有色金属工业科学技术一等奖和二等奖各1项，宁波市科技进步奖一等奖1项；主持了国家自然基金面上项目、地区项目和应急管理项目（各1项），云南省科技厅重大科技项目（2项）和面上项目（1项），以及中南大学粉末冶金研究国家重点实验室开放课题、江西理工大学稀有稀土资源开发与利用省部共建协同创新中心开放课题、云南锡业股份集团公司、云铜股份有限公司等多项横向课题。担任《中国有色金属学报》（中英版）青年编委，《粉末冶金材料科学与工程》期刊编委，《硬质合金》期刊编委，多个国际期刊审稿人；在国内外期刊发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利20余件。

喷雾热解技术是一种利用高温场，通过对液体前驱体进行雾化、干燥和热解制备粉体的技术。本书系统介绍了喷雾热解技术的工作原理、设备类型、原料组成和工艺控制策略、前处理和后处理技术，并详细介绍了喷雾热解制备的粉体形貌及其在可充电电池、燃料电池、太阳能电池、超级电容器、高活性催化剂领域的应用。
本书适合材料、化工和新能源相关领域的研究人员和学生阅读，也可作为粉体材料制备和应用相关领域工程师和技术人员的参考用书。

第1章　绪论001
1.1　基本定义001
1.2　喷雾热解技术的发展历史与现状003
1.3　喷雾热解技术的特点005
参考文献007

第2章　喷雾热解的原理和系统008
2.1　喷雾干燥008
2.1.1　喷雾干燥过程011
2.1.2　喷雾干燥系统011
2.2　喷雾热解024
2.2.1　喷雾热解过程025
2.2.2　喷雾热解系统028
2.3　雾化机理030
2.3.1　射流破碎雾化031
2.3.2　薄膜破碎雾化032
2.3.3　雾化过程中的不稳定波034
2.4　液体雾化的质量评估036
2.4.1　雾化滴径036
2.4.2　滴径分布039
2.4.3　雾化角040
2.5　液体雾化过程042
2.6　液滴受力分析045
2.7　雾化方法和结构046
2.7.1　直流式压力雾化及喷嘴046
2.7.2　液体旋流强化050
2.7.3　机械式液流旋转雾化053
2.7.4　介质辅助雾化053
2.7.5　挡槽强化雾化057
2.7.6　外部场强化雾化060
2.7.7　雾化喷嘴的分析比较064
2.8　雾化过程模拟066
2.8.1　雾化过程的实验研究066
2.8.2　数值模拟067
参考文献068

第3章　原料组成和工艺控制策略079
3.1　前驱体溶液080
3.1.1　金属盐的选择080
3.1.2　添加剂083
3.1.3　溶剂086
3.2　工艺控制087
3.2.1　雾化方式087
3.2.2　载气和流速089
3.2.3　热解腔体090
3.2.4　工作温度090
参考文献091

第4章　喷雾热解粉体的形貌调控095
4.1　空心球096
4.2　实心球103
4.3　卵黄壳结构106
4.4　核壳结构109
4.5　纳米板113
4.6　薄膜材料114
4.7　一维结构117
4.8　立方形颗粒119
4.9　环形颗粒120
4.10　其他形貌颗粒121
4.10.1　瓶子状颗粒121
4.10.2　酒窝颗状粒122
4.10.3　皱形颗粒122
4.10.4　斑点颗粒123
4.10.5　层状结构的颗粒124
4.10.6　串珠状颗粒124
4.10.7　纳米颗粒124
参考文献128

第5章　喷雾热解的前处理和后处理136
5.1　盐溶液的除杂提纯技术137
5.1.1　沉淀除杂法138
5.1.2　氨溶结晶法139
5.1.3　溶剂萃取法139
5.1.4　离子交换法141
5.2　粉体的表面处理142
5.2.1　粉体表面处理目的143
5.2.2　粉体表面处理方法148
5.3　热处理153
5.4　球磨破碎156
5.4.1　球磨机的工作原理及机内运动轨迹分析156
5.4.2　强制球磨156
5.4.3　喷雾热解与球磨工艺联用159
5.5　分级162
5.5.1　分级的原理162
5.5.2　分级的关键问题163
5.5.3　分级机的分类163
参考文献164

第6章　喷雾热解的应用169
6.1　可充电电池169
6.1.1　锂离子电池171
6.1.2　钠离子电池180
6.1.3　锂-硫电池195
6.1.4　锌空气电池199
6.2　燃料电池199
6.3　太阳能电池205
6.3.1　晶体硅太阳能电池205
6.3.2　薄膜太阳能电池209
6.3.3　其他太阳能电池213
6.4　超级电容器220
6.4.1　EDLC 型材料221
6.4.2　法拉第赝电容型材料223
6.4.3　混合型材料224
6.5　高活性催化剂225
6.5.1　催化产氢228
6.5.2　氧还原反应229
6.5.3　二氧化碳还原（CRR） 232
6.6　其他234
参考文献236

第7章　工程化应用及案例264
7.1　工程化应用264
7.1.1　存在的问题265
7.1.2　市场前景267
7.1.3　市场竞争267
7.1.4　可持续发展268
7.2　工程案例269
7.2.1　氧化镍的生产制备269
7.2.2　钠电池正极前驱体的制备271
7.2.3　预合金粉的制备272