溶液霧化法制備鎳鈷精細粉體材料理論與工藝研究.pdf

1、鎳鈷類過渡金屬精細粉體材料，包括單一金屬氧化物粉末、單質粉末、人造金剛石領域用作粉末觸媒的金屬合金粉末等，是一類具有特殊結構和性能的重要功能材料，廣泛應用于電子信息、清潔能源、石油化工、精細陶瓷等現代基礎工業(yè)領域及國防軍工高端領域。探索各種新的精細粉體制備方法是粉體材料重要研究方向。本研究開拓了一種溶液霧化制備有色金屬精細粉體材料的新方法，制備出組成準確均勻化、微觀形貌超細可控化、宏觀性質功能優(yōu)異化的精細粉體，克服了傳統制備方法的缺陷，

2、可滿足相關行業(yè)對高性能精細粉體多樣性和苛刻性要求，具有重要的理論價值和實際意義。
　　 本文首先提出和設計了一種溶液霧化法制備鎳鈷系列精細粉體材料的新工藝，并為此設計建立了專門實驗裝置以及系統開展了有關理論與工藝研究。本研究取得的主要成果有：
　　 一、設計了溶液霧化法制備精細粉體新工藝，建立了一套溶液霧化法制備精細粉體的專用實驗裝置。采用建立的裝置系統，不但可實現有色金屬粉體材料精細制備，而且可實現物料的閉路循環(huán)利用。

3、
　　 二、對溶液霧化法制備NiO反應過程熱力學進行了研究，確定了反應進行的熱力學條件，利用自行建立的溶液霧化制粉裝置開展實驗，成功制備得到單一高純NiO精細粉體。探討了溫度、載氣種類、溶液濃度、霧化壓力、溶液體系對NiO粉體樣品組成、結構、微觀形貌的影響，研究發(fā)現采用惰性載氣(氮氣)或氧化性載氣(空氣、氧氣)均能制備得到單一NiO精細粉體；溫度對原料轉化率及樣品物化指標產生重要影響；溶液濃度、霧化壓力也對樣品粒度形貌產生影響；

4、采用硝酸鹽體系易制得微米級空心球NiO粉體、硫酸鹽體系可制得微米級多孔NiO粉體。當采用氯化鹽為溶液溶質時，易得到高品質亞微米級NiO密實粉體粒子，但顆粒粒徑不符合ODOP機理。在以空氣為載氣、氯化鎳為溶液溶質、溫度為800℃、溶液濃度為1.0mol·L-1、霧化壓力為0.10MPa的優(yōu)化條件下，制備所得樣品為形貌規(guī)則立方體、粒子均勻性好、平均粒徑約為0.4μm、鎳含量77.1％、余氯含量0.08％、松裝密度值為0.63g/cm3的高純

5、度NiO精細粉體。
　　 三、對溶液霧化法制備鈷氧化物反應過程熱力學進行了研究，確定了反應進行的熱力學條件，溶液霧化法制備鈷氧化物粉體過程，適用逐級轉變規(guī)則，利用自行建立的溶液霧化制粉實驗裝置開展實驗，成功制備了高純Co3O4及CoO精細粉體。探討了溫度、載氣種類對制備Co3O4性能影響，溫度對樣品純度、結構、微觀形貌產生重要影響，以壓縮氧氣為載氣，能有效改善產物結晶性。在空氣為載氣、氯化鈷溶液濃度為2.0mol·L-1、載氣壓

6、力為0.25MPa、溫度為750℃的優(yōu)化條件下，所得樣品為高純度的Co3O4精細粉體。研究發(fā)現霧化壓力、氣液比、溶液濃度均對產物含氯量產生明顯影響；反應不完全、粉體對氯化氫的吸附行為及存在逆反應是降低原料轉化率的主要原因；氣固分離過程采取保溫措施產物含氯量能有效降低；研究發(fā)現溶液霧化法制備所得Co3O4樣品具有較好的超電容行為，其比電容可達到103.5F·g-1。溶液中添加還原性化合物乙醇、尿素或者采用非氧化性氣體為載氣，有利于CoO的

7、生成。在溫度900℃、氯化鈷溶液濃度0.5mol·L-1、霧化壓力為0.08MPa、以高純氮氣為載氣、溶液中添加少量乙醇的條件下，制備得到了結晶性好、粒度介于亞微米尺度的正八面體高純CoO精細粉體。
　　 四、以氯化鈷溶液為原料，基于非氫還原的溶液霧化技術，開展直接制備金屬鈷粉試驗。研究發(fā)現高純氮氣適宜用作霧化載氣，乙醇可作為制備過程中的有效還原劑，乙醇加入量、溫度、溶液濃度及載氣壓力均對鈷粉制備過程產生影響。在以高純氮氣為載氣

8、、溫度為800℃、乙醇：水溶液比為1:1(V/V)、溶液濃度為0.5mol·L-1、霧化壓力為0.08MPa的條件下，成功制備得到FCC晶體結構的金屬鈷粉。對樣品的Zeta電位測試發(fā)現，制備所得鈷粉具有較好的分散性與穩(wěn)定性。采用溶液霧化法直接制備金屬鈷粉過程中，同樣適用逐級轉變規(guī)則，即從鈷氧化物到金屬鈷粉需經由逐級還原過程。
　　 五、開展溶液霧化法制備粉末觸媒實驗，按化學計量比配制溶液，控制反應條件，采用溶液霧化法分別成功制備

9、得到組成為Ni7Co3、FeTNi3、FeNi3、Ni70Mn25Co5的合金粉末觸媒，對應樣品的微觀形貌為：由納米粒子堆積而成的蠶繭狀、由納米膜組成的疏松花狀球形、由納米纖維組成的海膽形、由納米片組成的鱗片簇。
　　 六、以溶液霧化法制備NiO及Co3O4粉體過程為對象，開展過程動力學研究，發(fā)現制備過程均由三個動力學機理完全不同的連續(xù)步驟組成，即溶質結晶析出、溶質脫水與分解、產物晶體生長。采用Doyle方程和Coats-Red