微波強化噴霧閃速熱解制備ITO粉體基礎研究

銦錫氧化物（ITO）由于優(yōu)異的光電性能被廣泛地應用于電子工業(yè)、宇航、軍事、發(fā)光材料等領域。本項目以云南優(yōu)勢有色金屬資源銦、錫產業(yè)為依托，針對銦、錫高端產品深加工不足的問題，開發(fā)出微波強化噴霧閃速熱解一步法直接合成高品質、透明的銦錫氧化物（ITO）超細粉體的新思路。利用微波選擇性、均勻、內部加熱的優(yōu)勢，代替常規(guī)加熱方式，克服了常規(guī)噴霧熱解過程粉體粒徑分布不均勻、表面粗糙、破碎率高的缺點，在科學和實踐上具有創(chuàng)新性和研究價值。 從實驗研究和理論分析的角度，探討了氣-液-固流化反應場中前驅體霧化液滴生成ITO產品的反應機制和傳熱-傳質規(guī)律。首次利用諧振腔微繞法測定了相關原料和產品的微波介電常數(shù)和微波損耗因子，為微波作用下的熱解反應提供基礎數(shù)據(jù)支撐。利用差熱差重（TG-DTA）、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微（SEM）、透射電子顯微（TEM）、Malvern激光粒度、紅外光譜（FT-IR）、紫外可見光譜（UV-Vis）、透射能譜（EDS）分析等表征手段，獲得了工藝參數(shù)和微波熱源調控參數(shù)對產品晶體結構、組成、微觀形貌及粒徑分布的影響規(guī)律。實驗結果表明，合適的前驅溶液濃度和微波熱解溫度是制備高純、超細的球形ITO粉體的關鍵因素。同時，在添加檸檬酸和乙醇作為表面活性劑的條件下，所制備的超細粉體具有分散性更好、尺寸分布更小且更均勻等優(yōu)點。超額完成了薄膜材料的制備和表征。在研究工作期間，發(fā)表學術論文10篇，其中SCI收錄7篇，申請發(fā)明專利4項，授權實用新型專利2項，獲省部級獎勵一等獎兩項（各排名第3）。 項目立足于地區(qū)優(yōu)勢開發(fā)了高端產品和綠色技術，實驗和理論研究結果為高效、快速制備ITO粉體材料提供了可靠依據(jù)和支撐，并對進一步的工業(yè)生產應用具有重要參考和指導價值。

單分散、高純度的銦錫氧化物（ITO）粉末是制備高性能靶材的關鍵和必要環(huán)節(jié)，目前僅通過氣、固或液相通過純金屬進行制備。項目擬利用微波外場的直接加熱和對化學反應的特殊效應，將定向凈化和配置的銦、錫氯化物前驅體直接在微波作用下閃速熱解制備銦錫氧化物粉體材料。著重研究微波作用下銦、錫氯化物前驅體閃速熱解直接獲得ITO氧化物的反應過程機制和調控方法，深層次揭示動態(tài)條件下，流化-微波復合場的噴霧速率、空間分布和微波能量的耦合關聯(lián)關系，最終形成液-固相流化復合場中微波促進液滴干燥脫水-分解收縮-粉體成型過程的反應機理，得到前驅體在外場作用下的傳熱-傳質規(guī)律，揭示微波能量內部驅動下顆粒熱解的反應機制，獲得高質量的ITO粉體和新技術原型。項目有力的深化微波加熱技術基礎理論，革新傳統(tǒng)噴霧熱解技術，更為短流程冶金材料一體化技術開辟了綠色途徑，立足于地區(qū)優(yōu)勢開發(fā)高端產品和技術，具有重要的研究價值和應用前景。

本項目提出紫莖澤蘭微波熱解及其熱解產物利用的基礎研究，實現(xiàn)了資源化利用。測定了紫莖澤蘭的成分組成、元素組成和工業(yè)分析，分析了熱重行為及其添加劑對熱失重的影響，研究了紫莖澤蘭和生物質熱解炭的介電常數(shù)與介電損耗，以及微波場下的升溫特性曲線，奠定了微波熱解利用基礎；研究了熱解溫度、保溫時間、氮氣流速、添加劑等條件固、液、氣產物分布的影響規(guī)律，分析了熱解產物的結構、性質，與常規(guī)熱解對比，揭示微波熱解機理，熱解氣凈化處理后可作為燃氣；開展了熱解炭通過物理活化、化學活化制備多孔炭的研究，探索了活化劑種類、反應時間、微波功率等主要因素對多孔炭指標和得率等的影響規(guī)律，優(yōu)化了工藝參數(shù)，揭示了活化機理與孔炭結構調控規(guī)律，物理活化可制得1036 m2/g以上多孔炭，活化過程產生16.91MJ/Nm3以上高熱值、富氫燃氣，化學活化可制得高于3000m2/g的高比表面積活性炭；分析了熱解液體產物的成分、熱值等基本特性參數(shù)，開展了乳化生物油的高值化研究，探索了主要參數(shù)對生物油熱值等主要參數(shù)的影響，獲得了熱值為40.2MJ/kg的乳化燃料。開展了楊木屑等物料微波熱解的移植性研究。通過項目實施，出版學術專著1部，發(fā)表論文15篇，SCI檢索14篇；申請專利19件，已獲授權11件。獲全國“冶金院長獎”青年教師提名獎、國際發(fā)明展覽會金獎1項。項目負責人晉升為教授，被遴選為云南省萬人計劃青年拔尖人才、博士研究生指導教師、中國有色金屬學會冶金物理化學學術委員會委員等，指導畢業(yè)博士研究生1人、碩士研究生2人。

生物質可再生資源的開發(fā)利用是資源、環(huán)境和能源領域的重要研究方向。紫莖澤蘭位列我國外來入侵生物首位，數(shù)量和危害巨大，其資源化研究具有重要的科學意義和社會價值。針對熱解速率慢導致二次熱解、熱解產物復雜的問題，本項目提出熱解炭摻雜強化紫莖澤蘭在微波場下快速熱解，實現(xiàn)固體產物制備生物質多孔炭、液體產物制取生物油、氣體產物燃氣化。首次研究紫莖澤蘭在微波場下固、液、氣熱解產物的綜合利用，實現(xiàn)紫莖澤蘭向生物質能的熱化學轉化及高值化，提高熱解利用率；探索紫莖澤蘭微波快速熱解的固、液、氣產物分配特性及調控機制；研究熱解溫度、反應時間、活化劑種類等對生物質多孔碳的性能影響，乳化條件對生物油密度、熱值等的影響規(guī)律；構建產品結構與性能的關聯(lián)關系，形成紫莖澤蘭微波快速熱解的資源化技術與應用基礎理論。項目符合我國當前資源綜合利用、可持續(xù)發(fā)展的要求，對促進微波快速熱解在生物質資源的綜合利用具有重要意義和應用前景。

氧化鋯陶瓷的生產要求制備高純、分散性能好、粒子超細、粒度分布窄的粉體，氧化鋯超細粉末的制備方法很多，氧化鋯的提純主要有氯化和熱分解法、堿金屬氧化分解法、石灰熔融法、等離子弧法、沉淀法、膠體法、水解法、噴霧熱解法等。粉體加工方法有共沉淀法、溶膠一凝膠法、蒸發(fā)法、超臨界合成法、微乳液法、水熱合成法網及氣相沉積法等 。