SiO2纳米颗粒对KNO3水溶液结晶的影响及机理探索

摘要

亚微米晶体的形态对材料的光、电、磁、机械、催化等物理化学性质有重要影响，可控地合成具有特殊形态的亚微米晶体有助于发掘晶体材料的新性能。对于某些无机相变储能材料，亚微尺寸下的晶体，由于特殊的尺寸效应，具有较好的热物理性能。本文采用SiO2纳米颗粒辅助结晶的方法成功制备了亚微硝酸钾晶体，并探索了晶体的形成机理。 用SiO2纳米颗粒诱导硝酸钾结晶，制备出了尺寸均匀、形貌规则的纤维状亚微硝酸钾晶体。并研究了SiO2纳米颗粒的分散、SiO2纳米颗粒浓度、蒸发结晶温度、容器器壁等因素对硝酸钾晶体形貌的影响。结果表明，当SiO2/KNO3质量比为5％，超声分散条件为30 W+30 min，蒸发结晶温度10℃时，得到最小直径为0.5μm的纤维状硝酸钾晶体。通过DSC分析显示所得亚微KNO3晶体固相和液相比热容比原料KNO3晶体分别提高了20.9％和39.8％。 为探索亚微KNO3晶体的形成机理，论文研究了SiO2纳米颗粒作用下KNO3水溶液成核诱导期、溶解度、介稳区宽度的变化。结果表明，在搅拌速率100 r/min，过饱和度为0.13的条件下，向KNO3溶液中加入5wt％的SiO2纳米颗粒后，KNO3溶液成核诱导期从109 s缩短为36 s。诱导时间的降低使得KNO3晶核形成速率增大。同时，KNO3溶液中加入SiO2纳米颗粒能够降低其溶解度，且随着所加入SiO2纳米颗粒浓度的增加，溶解度降低越显著。此外，SiO2纳米颗粒的加入使溶液介稳区宽度变窄，降低了介稳溶液的稳定性，对KNO3溶液中晶核的产生有促进作用。 通过SiO2纳米颗粒对KNO3溶液表面张力的影响研究发现，当KNO3溶液浓度为0.9 mol/L，SiO2纳米颗粒浓度为0.15 wt％时，表面张力下降0.73％。SiO2纳米颗粒的加入使KNO3溶液表面张力降低，导致溶液表面能降低，从而使得气-液界面处成核所需能垒低，促进气-液界面处KNO3晶体的异质成核。 纤维状亚微KNO3晶体的形成是SiO2纳米颗粒、玻璃壁面和KNO3各向异性生长共同作用的结果。一方面，SiO2纳米颗粒的加入，改变了溶液表面张力和介稳区，促进气-液界面晶核形成;另一方面，玻璃壁面和壁面处的SiO2纳米颗粒的相互作用，使此处可能成为KNO3晶体的晶核，而且SiO2纳米颗粒的存在强化了KNO3晶体的各向异性生长，从而导致了纤维状亚微硝酸钾晶体的形成。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2无机盐纳米材料

1．2．1无机纳米材料的制备

1．2．2无机纳米材料的应用

1．3结晶过程研究

1．3．1结晶方法

1．3．2晶核形成

1．3．3晶体的生长

1．4溶液结晶介稳区

1．4．1介稳区概念

1．4．2结晶介稳区宽度的测定方法

1．4．3介稳区宽度的影响因素

1．5论文的研究内容和意义

1．5．1论文的研究内容

1．5．2论文的研究意义

2亚微KNO3晶体的制备

2．1实验部分

2．1．1实验材料及仪器

2．1．2实验方祛

2．1．3测试与表征

2．2结果与讨论

2．2．2傅里叶红外分析（FTIR）

2．2．3晶体形貌

2．2．4 X射线光电子能谱分析（XPS）

2．2．5热性能

2．3本章小结

3 SiO2纳米颗粒对KNO3溶液结晶介稳区的影响

3．1．1实验试剂、实验仪器及设备

3．1．2诱导期测量

3．1．3介稳区宽度测量

3．1．4溶解度测量

3．2结果与讨论

3．2．1诱导期

3．2．2溶解度和介稳区宽度

3．3本章小结

4 SiO2纳米颗粒对KNO3溶液表面张力的影响

4．1实验部分

4．1．1实验试剂、实验仪器及设备

4．1．2实验方法

4．2结果与讨论

4．2．1硝酸盐溶液的表面张力

4．2．2 Si02-DW纳米流体的表面张力

4．2．3盐基纳米流体表面张力

4．2．4硝酸盐基纳米流体表面张力的增益

4．2．5 SiO2纳米颗粒对硝酸盐溶液表面张力的作用机理

4．2．6温度对溶液表面张力的影响

4．2．7表面张力影响盐基纳米溶液结晶机制的研究

4．3亚微KNO3晶体形成机理研究

4．4本章小结

5结论与展望

5．1全文总结

5．2主要创新点

5．3展望

致谢

参考文献

附录