阅读说明：本技术 一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备 (Metal oxide powder and preparation method and equipment thereof ) 是由 祝渊 付婷婷 陈安琪 于 2018-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备,该制备方法包括以下步骤：将包括金属化合物、燃烧剂和溶剂的原料混合溶解配成前驱体溶液,再加热制成前驱体凝胶；而后将前驱体凝胶经造雾形成雾化液滴通入加热装置中,使其发生自蔓延燃烧反应,形成金属氧化物粉体。通过以上方式,本发明制备方法采用喷雾-自蔓延燃烧法,操作简单,所制得的金属氧化物粉体颗粒粒径均匀,分散性好,不团聚。(The invention discloses a metal oxide powder and a preparation method and equipment thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: mixing and dissolving raw materials including a metal compound, a combustion agent and a solvent to prepare a precursor solution, and heating to prepare precursor gel; and atomizing the precursor gel to form atomized liquid drops, introducing the atomized liquid drops into a heating device, and enabling the atomized liquid drops to perform self-propagating combustion reaction to form metal oxide powder. Through the mode, the preparation method adopts a spray-self-propagating combustion method, the operation is simple, and the prepared metal oxide powder particles are uniform in particle size, good in dispersity and free of agglomeration.)

一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备

技术领域

本发明涉及金属氧化物粉体的制造技术领域，具体涉及一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备。

背景技术

金属氧化物纳米粉体由于其优异的光电特性、较大的比表面积以及较高的催化活性，在光电、催化以及能源领域有着广泛的应用，因此金属氧化物纳米粉体的制备备受关注。

一般而言，对金属氧化物纳米粉末的具体要求是：颗粒尺寸小于100nm,比表面积大于15m²/g,并且颗粒形貌规则，粒径分布范围窄，硬团聚少。目前已报道的金属氧化物粉体的制备方法主要有：化学共沉淀法、喷雾热解法等。其中，经实践证明:化学共沉淀法在生产过程中容易实现精确控制，故适用于规模化生产；但是共沉淀法生产周期比较长，也无法实现连续化制备。喷雾热解法虽然反应速度快，效率、产率高，可以连续化制备，但是需要耗费巨大的能量将雾滴进行蒸发、裂解、干燥、结晶成核，以达到干燥的目的，对设备要求也很高，成本相应也较高。还有一些制备方法，如中国专利(公开号：CN102923765A，公开日：2013-02-13)公开了一种低温燃烧合成工艺，虽然可以使用马沸炉在较低的温度下实现氧化物粉体的制备，但该方法所获得的粉体容易出现燃烧不均匀的问题。总之，现有制备方法所制得的金属氧化物粉体通常存在均匀性差，分散不理想、团聚多等问题，较难满足要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备，可解决现有制备方法所制得金属氧化物粉体均匀性差、分散性不理想、团聚多的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种金属氧化物粉体的制备方法，包括以下步骤：

1)将包括金属化合物、燃烧剂和溶剂的原料混合，搅拌至溶解，配成前驱体溶液；通常金属化合物与燃烧剂按照略大于化学反应的摩尔比的计量混合配比，燃烧剂略过量；而溶剂的用量以可溶解其他原料为宜；

2)将所述前驱体溶液加热，制成前驱体凝胶；

3)将所述前驱体凝胶置于喷雾装置中进行造雾，形成雾化液滴；并将所述雾化液滴通入加热装置，以使所述雾化液滴发生自蔓延燃烧反应，形成金属氧化物粉体。优选地，所述金属氧化物粉体为金属氧化物纳米粉体。

优选地，在步骤2)中，将所述前驱体溶液在50～130℃条件下加热0.5～48h，制成前驱体凝胶。

优选地，所述加热装置的温度为150～400℃。

优选地，所述金属化合物选自硝酸盐、草酸盐、金属氯化物、醋酸盐、硫酸盐、金属硫化物、金属砷化物、金属氢氧化物和金属磷化物中的至少一种。

优选地，所述燃烧剂选自尿素、水杨酸、甘氨酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸、L苹果酸、葡萄糖、乙二酸、L酒石酸、D酒石酸、琥珀酸和蔗糖中的至少一种。

优选地，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、丙酮、丁酮、丁二酮、戊酮、环戊酮、己酮、环己酮和环庚酮中的至少一种。

优选地，所述原料还包括阻燃剂、分散剂和络合剂中的至少一种。

本发明还提供了一种金属氧化物粉体，该金属氧化物粉体由以上金属氧化物粉体的制备方法制得。

另外，本发明还提供了一种用于实施以上金属氧化物粉体的制备方法的设备，包括供料装置、喷雾装置、加热装置、粉体收集装置，以及气氛补给装置和压力控制装置；所述供料装置连接所述喷雾装置，所述加热装置包括炉膛和用于加热炉膛内气氛的加热器；所述喷雾装置设于所述炉膛的一端，以向所述炉膛内喷雾供料；所述粉体收集装置连接设于所述炉膛上偏离所述喷雾装置的另一端；所述气氛补给装置连通所述炉膛，以向所述炉膛内补给气氛；所述压力控制装置连通所述炉膛。

优选地，所述设备还包括干燥器，所述气氛补给装置连通所述干燥器，所述干燥器连通所述炉膛。

本发明的有益技术效果是：本发明提供一种金属氧化物粉体及其制备方法和设备，该制备方法采用喷雾-自蔓延燃烧法，通过在原料中加入燃烧剂，并借助喷雾的方式将物料分散成微小的液滴，液滴可在一定温度下引燃，通入加热装置后可利用燃烧剂高的化学反应热的自加热和自传导作用来实现自蔓延燃烧反应以制备金属氧化物粉体。其中，由于燃烧剂的加入，液体可在较低温度下被引燃放出大量热，其反应时点火温度低，有利于能源的节约；并且反应过程中形成大量如CO₂、N₂、H₂O、NH₃等气体，有助于粉体的疏松和粉碎，形成的粉体比表面积高，分散性好；此外，通过喷雾-自蔓延燃烧的方式，燃烧合成反应更加充分、彻底，产物金属氧化物粉体粒径均匀度高。从而通过本发明制备方法所制得的金属氧化物粉体粒径均匀，分散性好，不团聚，烧结活性高。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。

图1是本发明实施例1所制得ITO粉末样品的电子扫描显像图；

图2是本发明实施例2所制得ZnO粉末样品的电子扫描显像图；

图3是本发明实施例3所制得TiO₂粉末样品的电子扫描显像图；

图4是用于实施本发明金属氧化物粉体的制备方法的设备一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

铟锡氧化物(ITO)纳米粉体的制备：采用的铟盐为水合硝酸铟(In(NO₃)，锡盐为草酸亚锡(SnC₂O₄)，将两种盐按照产物In₂O₃和SnO₂的质量比9:1，计算两种盐所需的用量分别为1g和0.0677g；将试剂溶于一定量去离子水中，放入磁力搅拌机中搅拌均匀至无沉淀，为了使沉淀全部溶解可加少量HNO₃；再加入0.4627尿素和0.3468g葡萄糖作为混合燃烧剂，加入0.1g硝酸铵(NH₄NO₃)作为助燃剂，溶解混匀，制得前驱体溶液；然后将前驱体溶液放入鼓风烘箱中，以60℃的温度恒温烘烤10h，得到前驱体凝胶；将前驱体凝胶通过喷雾通入垂直加热炉中，炉温控制在200℃，在加热炉底部收集得到燃烧反应产生的黄绿色ITO粉末样品。

利用(SEM)扫描电子显微镜对本实施例所制得ITO粉末样品进行扫描观测，所得结果如图1所示，由图1可知，经过SEM观测，粉末分散性良好，无明显团聚现象，粒径大小均匀，平均粒径约为50nm。另外，利用EDS(能量散射光谱仪)对本实施例所制得ITO粉末样品进行元素组分分析，经EDS测得成分为In、O和Sn。

实施例2

纳米氧化锌(ZnO)粉体的制备：将0.1mol的水合乙酸锌(Zn(CH₃COO)₂˙2H₂O)、0.019mol尿素(CO(NH₂)₂)、0.0147mol的葡萄糖(C₆H₉O₆)混合得到混合物溶液；加入1g的络合剂PEG(HO(CH₂CH₂O)_nH)在超纯水中超声分散并溶解，得到前驱体溶液；而后放入90℃烘箱中加热5h，制成前驱体凝胶；再将前驱体凝胶通过喷雾通入垂直加热炉中，炉温控制在200℃，在加热炉底部收集得到燃烧反应产生的白色ZnO粉末样品。

利用(SEM)扫描电子显微镜对本实施例所制得ZnO粉末样品进行扫描观测，所得结果如图2所示，由图2可知，经过SEM观测，粉末分散性良好，无明显团聚现象，粒径大小均匀，平均粒径约为40～60nm。另外，利用EDS(能量散射光谱仪)对本实施例所制得ZnO粉末样品进行元素组分分析，经EDS测得成分为Zn和O。

实施例3

纳米氧化钛(TiO₂)粉体的制备：将2g的硝酸氧钛(TiO(NO₃)₃)和0.8878g的甘氨酸(H₂N-CH₂-COOH)溶解到去离子水中得到前驱体溶液；放入90℃烘箱中加热5h，制成前驱体凝胶；将前驱体凝胶通过喷雾通入垂直加热炉中，炉温控制在250℃，在加热炉底部收集得到燃烧反应产生的白色TiO₂粉末样品。

利用(SEM)扫描电子显微镜对本实施例所制得TiO₂粉末样品进行扫描观测，所得结果如图3所示，由图3可知，经过SEM观测，粉末分散性良好，无明显团聚现象，粒径大小均匀，平均粒径约为10～20nm。另外，利用EDS(能量散射光谱仪)对本实施例所制得TiO₂粉末样品进行元素组分分析，经EDS测得成分为Ti和O。

请参阅图4，图4是用于实施本发明金属氧化物粉体的制备方法的设备一实施例的结构示意图。该设备可用于实现以上实施例1-3中金属氧化物粉体制备过程中的喷雾-自蔓延燃烧反应。如图4所示，该设备包括供料装置1、喷雾装置3、加热装置9和粉体收集装置6。

其中，供料装置1可用于盛装以上前驱体凝胶物料，供料装置1连接喷雾装置3，用于向喷雾装置3供料以进行造雾，将物料分散成微小的液滴。为了便于控制物料的输送，供料装置1和喷雾装置3之间连接设有供料泵2，以通过供料泵2灵活控制泵送物料。

在本实施例中，加热装置9采用垂直加热炉，具体包括炉膛4和加热器5，炉膛4垂直设置，加热器5用于对炉膛4加热以使炉膛4内的气氛升温。喷雾装置3设于炉膛4的上端，以向炉膛4内喷雾供料。加热器5的设置位置通常需与喷雾装置3保持适当距离，以免物料未喷出而直接被引燃反应堵塞喷雾装置3；并且优选加热装置5环绕炉膛4设置，以保证加热的均匀性。

粉体收集装置6用于收集反应生成的金属氧化物粉体，粉体收集装置6连接设于炉膛4的下端，以使反应生成的金属氧化物粉体可借助重力落入粉体收集装置6。

在本实施例中，加热装置9为垂直加热器，且喷雾装置3设于垂直加热器炉膛4的上端，粉体收集装置6设于炉膛4的下端，以便于产物粉体的收集。当然，在其他实施例中，加热装置9也可倾斜设置，为保证最终产物金属氧化物粉体落入粉体收集装置6中，喷雾装置3和粉体收集装置6可相对分设于加热装置9中炉膛4的两端，且喷雾装置3的位置高于粉体收集装置6的位置。

本实施例中，还包括气氛补给装置10，气氛补给装置10连通炉膛4，以向炉膛4内补给气氛保证自蔓延燃烧反应顺利、充分、彻底地进行。加热装置9的炉膛4内气氛可选自空气、氧气等，通常采用空气；对应地，气氛补给装置10一般为空气压缩机。为了避免补给的气氛湿度过大，影响炉膛4内自蔓延燃烧反应的效率，补给气氛通入炉膛4前可对其进行干燥处理，具体可在气氛补给装置10与炉膛4之间设置干燥器11，气氛补给装置10连通干燥器11，干燥器11再连通加热装置9的炉膛4。使用时，气氛补给装置10补给的气氛先通入干燥器11，经干燥后通入加热装置9的炉膛4内，以实现对炉膛4内气氛的补给。

此外，该设备还包括压力控制装置7，压力控制装置7连通加热装置9的炉膛4，用于控制炉膛4内气压，以避免炉膛4内反应后气压过高而发生炸膛现象。压力控制装置7通常采用真空泵，且真空泵与炉膛4的连通位置优选靠近粉体收集装置6一端，以通过真空泵制造负压，使炉膛4内形成从上到下的流场，便于炉膛4内反应生成的金属氧化物粉体落入粉体收集装置6。另外，在真空泵与炉膛4之间通常设置有过滤部件8，具体可在真空泵与炉膛4的连接处设置过滤网，以避免反应生成的金属氧化物粉体被吸入真空泵中。当然，也可直接在压力控制装置7上设置过滤部件。

由上，本发明金属氧化物粉体的制备设备结构简单，制造成本低，通过以上结构设置，可以实现以上实施例1-3中金属氧化物粉体制备过程中的喷雾-自蔓延燃烧反应，操作方便，且所制得的金属氧化物粉体粒径均匀、分散性好，不团聚，烧结温度低。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。