در سال های اخیر، روش اسپری پیرولیز بواسطه ارزان قیمت بودن، تک مرحله ای بودن، مقیاس پذیر بودن و نیز برخورداری از قابلیت بالا در تولید دسته وسیعی از نانو مواد مورد توجه محققین و تولید کنندگان صنعت نانو تکنولوژی قرار گرفته است. ترویج روز افزون این روش باعث شده است تا بهینه سازی های مختلفی روی این روش انجام شده و تکنیک های بهینه ای توسعه یابند که محدودیت های این روش در سنتز نانو مواد را به حداقل برسانند. روش اسپری پیرولیز شعله ای روشی توسعه یافته از بطن روش اسپری پیرولیز می باشد که قابلیت های ویژه ای به آن بخشیده است. در این مقاله به بررسی این روش توسعه یافته می پردازیم و مکانیزم و پارامتر های تاثیر گذار آن را شرح می دهیم با ما همراه باشید.
اسپری پیرولیز شعله ای
اسپری پیرولیز شعله ای روشی با قابلیت صنعتی شدن در سنتز دسته وسیعی از نانو فلزات و نانو اکسید فلزات با خواص فیزیکوشیمیایی تنظیم شده می باشد که از دل روش اسپری پیرولیز توسعه یافته است. این روش از یک طراحی فرآیند پیچیده برخوردار بوده که این طراحی فرآیند شامل مراحل اصلی اتمیزه کردن (Atomization) مواد اولیه، احتراق و تشکیل نانو ذرات است.
طراحی فرآیند جامع و شامل این روش باعث شده است تا اسپری پیرولیز شعله ای به روشی تک مرحله ای و بدون نیاز به فرآیند های ثانویه جهت دستیابی به نانو ذرات تبدیل گردد. این روش می تواند نانو ذرات را با بلورینگی بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی تقویت شده سنتز نماید. پارامتر هایی نظیر غلظت محلول مواد اولیه، نوع حلال، دمای شعله، نسبت اکسیژن به سوخت و زمان قرارگیری ذرات در منطقه شعله (Flame Zone) در این روش وجود دارند که با تنظیم کردن آنها می توان خواص محصول نهایی را کنترل نمود.
دستگاه اسپری پیرولیز شعله ای شامل چند قسمت می باشد که عبارتند از:
اتمایزر ها (Atomizers)،
محفظه احتراق،
مشعل و نگهدارنده زیرلایه (در صورتیکه نیاز به رسوب دهی نانو ذرات روی زیرلایه و تولید لایه نازک باشد).
بر اساس گزارشات منتشر شده، از روش اسپری پیرولیز شعله ای می توان برای تولید غیر اکسید ها، فلزات، پروسکایت ها (Perovskites)، اکسید ها، فیلم های نازک، سنسور ها و کوانتوم دات ها استفاده نمود.
ساز و کار روش اسپری پیرولیز شعله ای
در شکل زیر شماتیکی از روش اسپری پیرولیز شعله ای و مکانیزم آن نمایش داده شده است.
(شماتیک روش اسپری پیرولیز شعله ای و مکانیزم آن در سنتز نانو مواد)
اولین مرحله در روش اسپری پیرولیز شعله ای آماده سازی محلول مواد اولیه فلز مورد نظر (نمک فلز) در حلال مناسب می باشد. برای محلول سازی می توان از نمک های آلی و غیر آلی فلزات استفاده نمود که به ترتیب نیازمند حلال های آلی و غیر آلی نیز هستند.
غلظت مواد اولیه در محلول و نوع حلال استفاده شده فاکتور های مهمی می باشند که بر خلوص و ترکیب شیمیایی نانو ذرات تولید تاثیر می گذارند. در دومین مرحله، محلول مواد اولیه پس از آماده سازی تحت فرآیند اتمیزاسیون (Atomization) قرار می گیرند که طی این فرآیند محلول مواد اولیه با عبور از یک نازل فشار بالا تبدیل به قطرات بسیار کوچک و یکنواخت شده و وارد محفظه احتراق می گردند.
در مرحله سوم، قطرات ریز محلول مواد اولیه در منطقه ای که شعله وجود دارد قرار می گیرند. منطقه شعله شامل چند بخش است که هر کدام از آنها از بازه های دمایی متفاوتی برخوردار می باشند. وقتی قطرات محلول مواد اولیه وارد مرکز این منطقه که دارای دمای 2500 – 3500 درجه سانتی گراد است می شوند، حلال در اثر دمای بالای این منطقه دچار احتراق شده و سپس نمک فلزات تبخیر و تجزیه می شوند.
با ادامه حرکت بخارات مواد اولیه در منطقه شعله و قرار گیری تحت دمای 2500 – 1700 درجه سانتی گراد، ذرات اولیه فوق العاده کوچک فلز یا اکسید فلز مورد نظر آغاز به جوانه زنی و رشد می کنند. ذرات اولیه شکل گرفته سپس وارد بخش بعدی منطقه شعله با بازه دمایی 1700 – 600 درجه سانتی گراد می شوند و ذرات بعلت برخورداری از حرکت براونی (Brownian Motion) در آنجا با یکدیگر برخورد می کنند.
در اثر برخورد و نبز بالا بودن دما، ذرات اولیه زینتر شده و درشت تر می شوند. ذرات زینتر شده به بخش انتهایی منطقه شعله و جایی که دما در حدود 500 درجه سانتی گراد می باشد وارد شده، با یکدیگر ادغام گردیده (فرآیند Coalescence) و به نانو ذره تبدیل می شوند.
در مرحله آخر، نانو ذرات تولید شده از منطقه شعله خارج شده و به بخش انتهایی و سرد محفظه احتراق که دارای بازه دمایی 400 – 500 درجه سانتی گراد می باشد وارد می شوند. در این بخش، نانو ذرات تحت تاثیر اندرکنش های فیزیکی (بعنوان مثال نیرو های واندروالس) به یکدیگر می چسبند و آگلومره (خوشه های ناقصی که متشکل از تعداد زیادی نانو ذره هستند) تشکیل می دهند. با کاهش بیشتر دما تا محدوده 400 – 200 درجه سانتی گراد، آگلومره ها با یکدیگر اندرکنش شیمیایی داشته، توسط پیوند های کووالانسی به یکدیگر چسبیده و تشکیل توده های متراکم از تعداد زیادی نانو ذره (Aggregate) را می دهند. در آخر و پس از سرد شدن کامل، نانو ذرات تولید شده از محفظه احتراق جمع آوری می گردند.
حالت های متنوع روش اسپری پیرولیز شعله ای
روش اسپری پیرولیز شعله ای قابلیت اجرا در چند حالت متنوع را دارا می باشد و همین موضوع باعث شده است تا محققین بتوانند دسته وسیعی از نانو مواد با ویژگی های مهندسی شده را با موفقیت سنتز کنند. تا به امروز 4 حالت مختلف برای این روش توسعه داده شده اند که به شرح ذیل می باشند:
- حالت عاری از اکسیژن (Oxygen – Deficient Flame Spray Pyrolysis): در این حالت محفظه احتراق با اعمال گاز های خنثی نظیر گاز آرگون عاری از اکسیژن می شود. عدم حضور اکسیژن کمک می کند تا امکان سنتز ترکیبات و یا فلزاتی که از واکنش پذیری بالایی برخوردار هستند امکان پذیر شود. علاوه بر این، از این سیستم برای ایجاد جای خالی اکسیژنی در ساختار نانو ذرات بدون اینکه تغییری در ساختار کریستالی آنها ایجاد شود استفاده می گردد.
- حالت نازل دوتایی (Double Nozzle Flame Spray Pyrolysis): در این حالت محفظه احتراق دارای دو نازل شعله پخش کن می باشد. این حالت برای تولید کامپوزیت ها، ترکیبات با ساختار هسته – پوسته (Core – Shell) و غیره استفاده می گردد. استفاده از 2 نازل مجزا امکان کامپوزیت سازی با میزان دقیق و کنترل شده از مواد اولیه را امکان پذیر می کند.
- حالت پوشش دهی (In Situ Coating Flame Spray Pyrolysis): از این حالت برای پوشش دهی نانو ذرات و تولید ذرات هسته – پوسته (Core – Shell) استفاده می گردد. برای این منظور، در قسمت بالایی محفظه احتراق و با فاصله ای معین از مشعل، حلقه ای تعبیه شده که دارای 8 یا 16 نازل می باشد. زمانیکه ماده اولیه تشکیل دهنده هسته از پایین به سمت بالا حرکت می کند تا هسته سنتز شود از حلقه بالایی نیز ماده اولیه تشکیل دهنده پوسته اسپری می شود. زمانیکه هر دو ماده اولیه در یک نقطه بهم میرسند ذرات هسته توسط ترکیبی که نقش پوسته را قرار است ایفا کند پوشش دهی شده و محصول نهایی بصورت نانو ذرات هسته – پوسته تولید می گردد.
- حالت رسوب دهی متوالی (Sequential Flame Spray Pyrolysis Deposition): از این حالت برای سنتز فیلم های چند لایه و سنسور ها استفاده می گردد. در این حالت، یک زیرلایه و نگهدارنده زیرلایه در قسمت انتهایی محفظه احتراق تعبیه شده است که نانو ذرات سنتز شده حین فرآیند از پایین به یه سمت زیر لایه حرکت کرده و بصورت لایه ای نازک با ابعاد نانومتری روی آن رسوب دهی می شوند. بسته به تعداد لایه های فیلم نهایی، فرآیند سنتز با مواد اولیه مختلف تکرار می شود تا لایه های متوالی روی هم رسوب دهی گردند.
نتیجه گیری
با توجه به مطالبی که توضیح داده شد واضح است که روش اسپری پیرولیز شعله ای از قابلیت های متنوعی برخوردار است که محدودیت های آن را به حداقل می رساند. قابلیت ها و توانایی های متنوع این روش کمک بزرگی برای محققین و تولید کنندگان حوزه فناوری نانو است تا با استفاده از روش اسپری پیرولیز شعله ای بتوانند نانو مواد با ویژگی های مهندسی شده و خواص فیزیکوشیمیایی تقویت شده را تولید نمایند.
منابع
