旋流液体雾化火焰中纳米颗粒掺杂合成的机理研究

The project aims to study the doping mechanism of multiple-component nanoparticles during flame spray pyrolysis. The novel swirl flame will be developed coupled with atomization of liquid precursors. Doping mechanism of flame-made nanoparticles will be revealed through in situ laser diagnostics including LIF, Raman and PS-LIBS. This will be instructive for accurate synthesis of nanoparticles for industrial uses. Experimentally, the spatial and temporal distribution of nanoparticles will be obtained. More importantly, the evolution model of nanoparticles under heterogeneous conditions will be established. Theoretically, evolutionary process of nanoparticles formation in the flame process, i.e. collisions, coalescence and sintering, will be obtained with population balance model together with turbulent flame model. Finally, theoretical foundation of doped nanoparticles evolved from liquid precursors in swirl flame will be built. We strive to make original progress in the heterogeneous combustion field.

本项目以旋流火焰合成纳米掺杂颗粒为研究对象，发展一种旋流火焰与前驱物液相雾化相结合的新型火焰合成方法。通过采用激光诱导荧光光谱、拉曼光谱和相选择激光击穿光谱等先进在线测量方法来揭示湍流火焰场内液相前驱物掺杂合成纳米颗粒的机理规律，为工业上精确、可靠控制掺杂纳米颗粒合成提供理论基础。实验上，观测纳米颗粒在空间及时间尺度上的变化规律，建立多相环境中纳米颗粒演化的物理模型。理论上，通过群平衡模型以及湍流火焰模型相结合的方法，研究掺杂合成纳米颗粒和在火焰场中的碰撞、聚并、烧结反应的微观过程。最终形成旋流液体雾化火焰中纳米颗粒合成的基础理论，力争在丰富非均相燃烧知识体系方面做出原创性贡献。

本项目搭建了旋流管状燃烧器和具有放大潜力的旋流雾化火焰合成燃烧器，通过多种在线激光诊断方法诊断了湍流火焰的结构和喷嘴的雾化特性。合成了以纳米Y2O3、Y2O3-Al2O3为基底、不同稀土元素掺杂、不同结构的纳米荧光材料，通过对颗粒的光学特性的测量，证明合成的下转换材料和上转换材料在高级彩色显示、高分辨率生物医学成像、及精确光学测温等方面具有巨大的应用潜力。.在掺杂合成机理的研究方面，利用离线表征方法分析前驱物溶液和产物纳米颗粒、利用PS-LIBS、PDA在线激光诊断方法，对火焰场中的颗粒相和液滴相进行了综合诊断测量。系统地研究了前驱物、溶剂、添加剂对于纳米颗粒生成的作用机制，通过火焰温度场、速度场的测量和不同工况下颗粒形貌的表征，建立了温度和停留时间与纳米颗粒生长过程的关联。进一步通过设计不同的进给方式，合成了均匀掺杂、包覆等不同结构的纳米颗粒，进一步优化了颗粒的光学特性。.在掺杂合成过程的在线激光诊断方法上，进一步在相选择性激光诱导击穿光谱方法基础上发展了新的谐振增强PS-LIBS方法，在保留原有的仅形成纳米等离子体、无延迟等特点的基础上，获得了强度高出一个数量级的原子光谱信号，实现了湍流火焰合成中纳米颗粒的瞬态诊断测量，结合自由基的PLIF测量方法，实现了湍流火焰场中颗粒相和自由基的同步瞬时测量，并可以识别湍流结构和化学反应不同强度的耦合机制。.在理论研究方面，采用了分子动力学方法研究了高温条件下纳米Y2O3和Y2O3-Al2O3复合氧化物单颗粒动态变化特性和颗粒烧结过程，通过选择合适的晶相识别方法，得到了不同粒径下、不同温度下纳米Y2O3的立方-单斜-熔融相图，揭示了粘性流掺混和晶相扩散两种不同的元素的掺混机制。利用开源软件开展了湍流火焰模拟，利用群平衡模型模拟了纳米颗粒生长过程，与实验结果达到良好的吻合。