功能无机纳米颗粒的可控制备与过程强化

摘要

微反应器技术是21世纪新兴的技术，微反应器具有特殊的微结构，可以使传质和混合得到极大的强化。近年来微反应器技术已逐渐成为化学工程领域的研究热点之一。套管式微反应器(MTMCR)是微反应器的一种，除了具有微反应器的特征外，还具有大通量的特点，因此，MTMCR特别适用于大规模制备纳米材料。
　　无机材料纳米化后展现出诸多优异的特性，如活化性能、量子效应等，具有广阔的应用空间。本文开展了量子点和纳米碳酸钙的制备研究。研究内容包括:水相法制备CdTe量子点的因素控制;异抗坏血酸合成CdS量子点及其光学特性研究;MTMCR内异抗坏血酸合成量子点研究;MTMCR内纳米碳酸钙的可控制备研究。具体研究内容如下:
　　1、室温下水相法异抗坏血酸辅助合成CdS量子点研究。在无氮气保护的条件下，进行室温下水相法制备CdS量子点的研究。用CdCl2和Na2S分别作为Cd源和S源，异抗坏血酸和3-巯基丙酸(MPA)作为钝化配体。实验结果表明，脱氧剂如异抗坏血酸的加入，对CdS量子点的光学性能产生重要的影响。同时对实验参数如MPA/Cd摩尔比、pH值和反应物浓度进行了优化。异抗坏血酸的加入可以促进CdS量子点的形成。对产物进行NMR、FT-IR、原位吸收的研究发现，异抗坏血酸促进CdS量子点形成的原因是由于其具有还原性和对量子点表面的钝化作用（特别是在碱性环境下）。研究表明，异抗坏血酸的使用可能是室温制备CdS量子点的重要手段。
　　2、利用MTMCR制备CdS量子点及其对量子点合成过程的强化研究。实验考察了MTMCR的微孔大小、液体流量、套管中液体循环时间和反应物浓度对量子点的大小和粒度分布的影响。发现在MTMCR内可以实现量子点的大小和粒度分布的可控制备且反应过程得到了强化。利用异抗坏血酸与MTMCR强化技术结合有望实现量子点的大批量可控制备。
　　3、异抗坏血酸和乙醇辅助合成与优化碲化镉量子点的研究。在没有氮气保护的情况下，采用CdCl2和NaHTe分别作为Cd源和Te源，异抗坏血酸和MPA作为稳定配体，进行CdTe量子点的制备。实验结果表明，除氧剂如异抗坏血酸的使用，对合成光学性能良好的CdTe量子点至关重要。乙醇的加入提高了量子点的荧光强度。通过优化实验参数如pH值、温度、反应时间、MPA/Cd的摩尔比，NaBH4添加量等，来获得制备CdTe量子点适宜的条件，从而获得良好的光学性能。由于异抗坏血酸的还原性和对CdTe量子点表面的钝化，促进了高质量量子点的形成。目前的研究表明，异抗坏血酸和乙醇的使用可能是促进CdTe量子点光学性能的实用手段之一。
　　4、MTMCR内可控制备纳米碳酸钙颗粒及过程强化的研究。进行了MTMCR内Ca(OH)2-CO2反应沉淀法制备纳米碳酸钙的研究，其处理量分别为气体流量400 L/h，液体流量76.14 L/h。推导了MTMCR内该吸收反应过程的总体积传质系数，并进行了传质考察。为了实现纳米碳酸钙的可控制备，进行了操作条件的优化考察，包括Ca(OH)2的初始含量、气体体积流量、液体体积流量、微孔大小和环形通道宽度。结果表明，与搅拌釜反应器(STR)相比MTMCR中的传质可以得到极大地增强。纳米碳酸钙颗粒的大小可以通过操作参数控制，在适宜条件下制备出平均粒径为28 nm的方解石型纳米碳酸钙。