در سال های اخیر، روش اسپری پیرولیز برای تولید دسته وسیعی از نانو مواد و نانو پوشش ها مورد استفاده محققین و تولید کنندگان قرار گرفته است. اسپری پیرولیز روشی ارزان قیمت و تک مرحله ای می باشد که قابلیت اجرا در مقیاس صنعتی را نیز دارا می باشد. مقیاس پذیر بودن این روش در کنار قابلیت آن در تولید نانو با ترکیبات گوناگون باعث شده است که اسپری پیرولیز به یکی از روش های مهم و شناخته شده در حوزه فناوری نانو تبدیل گردد. در این مقاله به بررسی این روش می پردازیم و پارامتر های تاثیر گذار آن را شرح می دهیم.
اسپری پیرولیز
اسپری پیرولیز (Spray Pyrolysis) روشی کم هزینه برای سنتز دسته وسیعی از نانو مواد می باشد که قابلیت تولید نانو ذرات را به دو صورت پودری و لایه نازک (Film) داراست. این روش بر پایه فرآیند پیرولیز (Pyrolysis) بنا نها شده است؛ فرآیندی که در آن مواد تحت دماهای بالا دچار تجزیه حرارتی شده و تبدیل به ترکیباتی جدید و مهندسی شده می گردند. در رابطه با سنتز لایه نازک با روش اسپری پیرولیز، محلول مواد اولیه روی یک زیرلایه (جنس زیرلایه بسته به کاربرد آن متفاوت می باشد) که دمایی بالا دارد اسپری شده، نانو ذرات با ترکیبات مشخص روی زیر لایه تشکیل شده و نهایتا لایه ای نازک حاصل می گردد.
گزارشات نشان داده اند که از روش اسپری پیرولیز غالبا در تولید نانو قیلم هایی از جنس نیمه هادی ها، فلزات و اکسید های شفاف هادی (Transparent Conductive Oxides) استفاده شده است. در رابطه با تولید نانو مواد در حالت پودری و با استفاده از این روش، محلول مواد اولیه درون محفظه ای که دارای دمای بالایی می باشد اسپری شده و قطرات مواد اولیه حین عبور از منطقه داغ محفظه تبدیل به نانو ذرات با ترکیبات شیمیایی متنوع به شکل پودر می گردند. بر اساس گزارشات منتشر شده مشخص شده است که از روش اسپری پیرولیز برای تولید نانو پودر فلزات و اکسید فلزات استفاده گردیده است.
مراحل روش اسپری پیرولیز
روش اسپری پیرولیز شامل 3 مرحله اصلی است که هر کدام از این مراحل تحت تاثیر مرحله قبلی خود می باشد. مراحل این روش به شرح ذیل می باشند:
- آماده سازی محلول مواد اولیه: در این مرحله بسته به اینکه نرکیب شیمیایی محصول نهایی چه خواهد بود مواد اولیه و حلال انتخاب می شوند. نوع حلال تاثیر مستقیم بر میزان حلالیت و غلظت نهایی مواد اولیه و در نهایت ویسکوزیته محلول مواد اولیه دارد. آب یا ترکیبی از آب و الکل بهترین انتخاب برای حلال مواد اولیه می باشد چراکه قابلیت انحلال دسته وسیعی از نمک های معدنی نظیر کلرید ها، نیترات ها و… را داراست. در صورتیکه مواد اولیه در قالب نمک های آلی باشند باید از حلال های آلی نیز استفاده نمود. اما غالبا از مواد اولیه غیر آلی در این روش استفاده می گردد. لازم به ذکر است که این مرحله بر خواص فیزیکوشیمیایی محصول نهایی تاثیر گذار می باشد.
- تبدیل مواد اولیه به اِروسُل (Aerosol) و جابجایی آن: به ذرات کوچک جامد و یا مایعی (با بازه ابعادی نانومتری تا میکرومتری) که در هوا یا محیط گازی معلق هستند اروسل (Aerosol) گفته می شود. برای تولید اروسل باید محلول اولیه را در یک محیط گازی به قطرات بسیار کوچک تبدیل کرده و قطرات مواد اولیه را توسط گاز در طول محفظه سنتز جابجا نمود. اندازه قطرات تولید شده تاثیر مستقیم بر اندازه ذره و مورفولوژی نانو ذرات سنتز شده دارند. برای تولید اروسل از دو سیستم پنوماتیک (Pneumatic) و یا التراسونیک استفاده می گردد. در سیستم اول، محلول مواد اولیه همراه با گاز فشار بالا از یک نازل (Venturi Nozzle) عبور داده شده و تبدیل به اروسل می شوند و در سیستم دوم از امواج التراسونیک برای تبدیل محلول مواد اولیه به قطرات بسیار کوچک و تبدیل آنها به اروسل استفاده می گردد. می توانید برای اطلاعات بیشتر، روش های تولید اروسل را در مقاله ای که اخیرا منتشر کرده ایم مطالعه نماید. ماهیت گاز منتقل کننده اروسل و سرعت حرکت آن احتمال ایجاد اندرکنش های شیمیایی میان قطرات مواد اولیه در حین جابجایی را کاهش داده ، نرخ تولید نانو ذرات را کنترل کرده و بر ترکیب شیمیایی محصول نهایی تاثیر می گذارد. اگر محصول نهایی در دسته اکسید ها باشد از هوا یا گاز های اکسید کننده برای جابجایی اروسل استفاده می گردد و در صورتیکه محصول نهایی فلزات باشند از گازهای خنثی نظیر هیدروژن و یا نیتروژن بعنوان منتقل کننده اروسل استفاده می شود.
- فرآیند سنتز: اروسل به منطقه ای از محفظه سنتز منتقل می شود که از دمای بالایی برخوردار بوده و به آن منطقه واکنش گفته می شود. زمانیکه اروسل به این منطقه وارد می گردد فرآیند پیرولیز آغاز شده، مواد اولیه تحت واکنش های شیمیایی تبدیل به نانو ذرات با ترکیب شیمیایی مورد نظر گردیده و فرآیند سنتز تکمیل می گردد. در این مرحله دمای منطقه واکنش تاثیر مستقیم بر بلورینگی، خلوص، ترکیب شیمیایی، اندازه ذره و مورفولوژی نانو ذرات تولید شده دارد. همچنین در این مرحله است که حالت نهایی محصول (پودری یا لایه نازک) تعیین می شود.
مکانیزم روش اسپری پیرولیز
در منطقه واکنش (Reactive Zone) درون محفظه سنتز، پارامتر هایی نظیر سرعت حرکت قطرات مواد اولیه، اندازه آنها و دمای منطقه واکنش وجود دارند که تاثیر مستقیم بر خواص فیزیکی و شیمیایی نانو ذرات تولید شده می گذارند. اگر محصول نهایی بصورت لایه نازک باشد منطقه واکنش فضایی به ارتفاع چند میلی متر در بالای سطح زیرلایه است و در صورتیکه شکل محصول نهایی پودری باشد بخشی از محفظه سنتز که دمای آن بالاتر از سایر بخش هاست بعنوان منطقه واکنش شناخته می شود. مکانیزم شکل گیری نانو ذرات در منطقه واکنش (منطقه داغ) به شرح ذیل است: زمانیکه قطرات مواد اولیه وارد منطقه واکنش می شوند، حلال شروع به تبخیر شدن می نماید و رسوبی از مواد اولیه (نمک مواد اولیه) پس از تبخیر کامل حلال حاصل می شود. رسوب مواد اولیه تشکیل شده دارای حالت آمورف بوده و در حین عبور از منطقه واکنش و تحت دمای بالا تبخیر می گردند. سپس، بخار مواد اولیه تحت واکنش شیمیایی در حالت گازی قرار گرفته و تبدیل به نانو ذرات جامد با ترکیب شیمیایی مشخص می شوند. در آخر، نانو ذرات تولید شده در منطقه واکنش در انتهای محفظه سنتز تجمع کرده و پس از سرد شدن جمع آوری می شوند.
نتیجه گیری
با توجه به توضیحات ارائه شده در این مقاله مشخص می شود که روش اسپری پیرولیز روشی تک مرحله ای بوده و نیاز به استفاده از فرآیند های ثانویه نظیر کلسیناسیون، خشک کردن و … را برطرف کرده است. این روش به دلیل برخورداری از دمای کاری بالا دستیابی به نانو ذرات با خلوص و بلورینگی بالا را امکان پذیر می نماید. علاوه بر این، روش اسپری پیرولیز قابلیت اجرا در مقیاس صنعتی را نیز دارا بوده و تولید انبوه نانو مواد با استفاده از این روش قابل اجراست.
منابع
