¿Aplicación de la pulverización por atomización ultrasónica en la preparación de nanomateriales?

La pulverización por atomización ultrasónica (UAS) es una tecnología que utiliza vibración ultrasónica para romper las materias primas líquidas en gotas del tamaño de una micra/nanómetro-, que luego se transportan a un sustrato o zona de reacción a través de un gas portador. Luego, los nanomateriales se preparan mediante secado, sinterización o reacciones químicas. Sus principales ventajas residen en el tamaño uniforme de las gotas (hasta 1-10 μm), el espesor del recubrimiento preciso y controlable (nivel nm-μm), la ausencia de daños mecánicos y la alta utilización de materia prima. Se ha aplicado ampliamente en la preparación de nanopelículas, nanopolvos y materiales nanocompuestos, y es particularmente adecuado para campos de alto nivel como la electrónica de precisión, las nuevas energías y la biomedicina.

 

1. Fabricación de nanopelículas (la aplicación más común)

Escenarios de aplicación:

◆Dispositivos semiconductores/electrónicos: nanopelículas conductoras (p. ej., ITO, grafeno, películas de nanotubos de carbono), películas aislantes, revestimientos fotorresistentes;

◆Nueva energía: películas de electrodos de baterías de iones de litio- (nanosilicio, recubrimientos de fosfato de hierro y litio), membranas de intercambio de protones de pilas de combustible (modificación de películas de Nafion), capas de absorción de luz de células solares (películas de puntos cuánticos);

◆Recubrimientos funcionales: películas termoaislantes-transparentes (recubrimientos de nanoTiO₂, ZrO₂), películas antibacterianas (recubrimientos de nanoplata, óxido de zinc), películas auto-limpiantes (recubrimientos hidrofóbicos de nanoSiO₂).

Ventajas técnicas:

◆ Excelente uniformidad de la película: El tamaño uniforme de las gotas evita defectos en el recubrimiento (como poros y grietas) causados ​​por la "agregación de gotas" en la pulverización tradicional;

◆ Espesor preciso y controlable: el espesor del recubrimiento a escala de nanoescala a micrómetro- (p. ej., 10 nm-5 μm) se puede lograr ajustando la frecuencia de atomización (20-180 kHz), el caudal del líquido (0,1-10 ml/min) y el tiempo de pulverización;

◆ Preparación a baja-temperatura: la baja energía cinética cuando las gotas impactan el sustrato permite la preparación a temperatura ambiente o a temperaturas medias a bajas (<200℃), making it suitable for flexible substrates (such as PET, PI films) or thermosensitive materials (such as biomacromolecules, quantum dots).

Casos típicos:

◆Película conductora transparente de grafeno: la dispersión de grafeno se atomiza ultrasónicamente y se rocía sobre un sustrato de vidrio o PET flexible. Después del secado a baja-temperatura, se forma una película con resistencia laminar<100 Ω/□ and a light transmittance >90% está formado, adecuado para pantallas táctiles y dispositivos de visualización flexibles;

◆Batería de iones de litio-Recubrimiento de ánodo-a base de silicio: se pulveriza una dispersión de partículas de nano-silicio sobre un sustrato de lámina de cobre para formar un recubrimiento uniforme-a base de silicio (500 nm-2 μm de espesor), lo que mejora la capacidad de la batería y la estabilidad del ciclo.

2. preparación de nanopolvo

Escenarios de aplicación:

◆Nanopolvos de metales/aleaciones (p. ej., nano-plata, cobre, polvo de níquel): se utilizan en pastas conductoras, catalizadores y materias primas para impresión 3D;

◆Nanopolvos de óxido (p. ej., TiO₂, ZnO, Al₂O₃ en polvo): utilizados en materiales fotocatalíticos, materias primas cerámicas y aditivos de revestimiento;

◆Nanopolvos compuestos (p. ej., Fe₃O₄@SiO₂, polvo de puntos cuánticos): se utilizan en biodetección, sondas fluorescentes y materiales de almacenamiento magnético.

Ventajas técnicas:

◆ Tamaño uniforme de las partículas de polvo: el tamaño de las gotas controlable da como resultado una distribución estrecha del tamaño de las partículas (normalmente 10-100 nm);

◆ Alta Pureza: Las gotas reaccionan en la fase gaseosa, evitando la introducción de impurezas como en el procesamiento húmedo tradicional;

◆ Morfología controlable: al ajustar la temperatura de reacción, el caudal del gas portador y la concentración del precursor, se pueden preparar nanopolvos con diferentes morfologías, como partículas esféricas, en escamas y en forma de varilla-.

Caso típico:

◆ Preparación de nano-plata en polvo: la solución de nitrato de plata se mezcla con un agente reductor (como etilenglicol), se atomiza y luego se pasa a un reactor de 300 grados para reducir y generar un polvo de plata esférico con un tamaño de partícula de 20 a 50 nm, que se utiliza en pastas electrónicas (como envases de LED y electrodos de células fotovoltaicas).