5月21日，Scientific Reports（科學(xué)報告）期刊發(fā)表了一項來自塔塔集團(tuán)旗下科研機(jī)構(gòu)關(guān)于水熱合成納米粉體的研究成果，研究人員開發(fā)了一種新型連續(xù)流動反應(yīng)器，有望實現(xiàn)該工藝的放大連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41598-022-11141-8

水熱合成反應(yīng)釜及反應(yīng)示意圖（非連續(xù)法）

水熱合成通常在間歇式攪拌釜反應(yīng)器中進(jìn)行。它受制于緩慢的加熱速率和較長的工藝時間，導(dǎo)致對顆粒特性的控制不佳。連續(xù)水熱流合成 (CHFS) 不僅解決了分批操作的一些挑戰(zhàn)，而且可以為連續(xù)和商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)具有高度可調(diào)的粒子特性（如尺寸、形態(tài)和結(jié)晶度）的納米粒子鋪平道路。

塔塔集團(tuán)的科學(xué)家們提出了一種新型的“無限”形螺旋連續(xù)流動反應(yīng)器，利用前體（加壓金屬鹽）溶液MS和超臨界水SCW之間的大密度差異來提供快速混合，從而為反應(yīng)動力學(xué)和顆粒生長提供均勻的條件。在這個設(shè)計中，順時針方向的螺旋轉(zhuǎn)向之后是逆時針方向的螺旋轉(zhuǎn)向，從而改變了流動方向和離心力場。據(jù)推測，這種交變力場將刺激反應(yīng)物之間的強(qiáng)烈混合，尤其是當(dāng)密度差異很大時。

兩種反應(yīng)物流的流動路徑將如何交叉的示意圖

如圖所示，MS（紅色）和 SCW（藍(lán)色）流從它們各自的入口位置注入反應(yīng)器。由于離心力場，較重相向外側(cè)移動并與較輕相強(qiáng)烈混合。當(dāng)轉(zhuǎn)向反轉(zhuǎn)時，流動動力學(xué)重復(fù)，較重的相與較輕的相相互滲透，為劇烈混合創(chuàng)造了一個環(huán)境，被命名為無限反應(yīng)堆

研究人員通過將計算流體動力學(xué)與種群平衡建模和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)動力學(xué)相結(jié)合來模擬水熱合成。模擬表明三種不同的流場下降、恢復(fù)和穩(wěn)定流場。這些狀態(tài)強(qiáng)烈依賴于前體溶液和超臨界水之間的流量比。無限反應(yīng)器提供兩種不同的反應(yīng)環(huán)境：螺旋的初始轉(zhuǎn)數(shù)用作促進(jìn)快速混合和均勻反應(yīng)的混流反應(yīng)器，隨后是穩(wěn)定顆粒生長的活塞流反應(yīng)器。與傳統(tǒng)的間歇式攪拌釜反應(yīng)器和T型混合器相比，它產(chǎn)生的顆粒具有相對較小的平均直徑和較窄的尺寸分布。

編譯 YUXI

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