研究背景
迄今為止，由于量子隧道效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、表面和邊界效應(yīng)以及庫(kù)侖堵塞效應(yīng)等奇妙特性，大量具有易于調(diào)節(jié)尺寸、結(jié)構(gòu)和成分的微納米材料被廣泛開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于光電子、環(huán)境材料、生物成像、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和藥物輸送等領(lǐng)域。因此，微納米材料加工屬于材料制造和應(yīng)用領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)在微納米尺度上的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)為目標(biāo)，屬于21世紀(jì)最有趣的產(chǎn)業(yè)之一，被認(rèn)為具有與信息技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域一樣大的潛力。
然而，傳統(tǒng)批量合成方法相對(duì)不靈活的缺點(diǎn)導(dǎo)致人們對(duì)微流控濕化學(xué)合成越來(lái)越感興趣，這使得連續(xù)制造工藝的發(fā)展成為可能。以微通道為代表的微反應(yīng)器為化工材料的生產(chǎn)提供了一種高效穩(wěn)定的方法，具有產(chǎn)物性質(zhì)可控、回收率或選擇性高、反應(yīng)體積小、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益可觀等優(yōu)點(diǎn)。
研究亮點(diǎn)
本文綜述了近年來(lái)微反應(yīng)器合成微納米材料的研究進(jìn)展。
首先，對(duì)目前應(yīng)用于微納米材料合成的微反應(yīng)器的制造和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了總結(jié)和分類(lèi)。
然后，通過(guò)典型實(shí)例論述闡明包括金屬納米顆粒，無(wú)機(jī)非金屬納米顆粒，有機(jī)納米顆粒，Janus 顆粒和 MOF 材料在內(nèi)的多種微納米材料加工合成。
最后，對(duì)微反應(yīng)器合成微納米材料的未來(lái)研究前景和關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論，包括繼續(xù)優(yōu)化微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和加工成本，將多功能納米材料集成到微反應(yīng)器中，改進(jìn)微尺度下的材料合成理論和原位檢測(cè)技術(shù)，從理論測(cè)試向商業(yè)應(yīng)用過(guò)渡。
總之，微反應(yīng)器為微納米材料合成提供了新思路和新方法，在規(guī)模化生產(chǎn)和科研方面潛力巨大。
▲ 圖1 微反應(yīng)器類(lèi)型：(a) 典型反應(yīng)器，(b) 并聯(lián)和串聯(lián)反應(yīng)器，(c) 網(wǎng)格反應(yīng)器。
▲ 圖2 (a) (上) 三維蛇形通道示意圖，(中) 方波通道示意圖，(下) 直線通道示意圖。(b) 弧形微通道示意圖。(c) 交錯(cuò)人字形混合器 (SHM)。
▲ 圖3 微反應(yīng)器合成金屬納米顆粒
▲ 圖4 微反應(yīng)器合成無(wú)機(jī)非金屬納米顆粒
▲ 圖5 微反應(yīng)器合成有機(jī)納米顆粒
▲ 圖6 微反應(yīng)器合成Janus顆粒
▲ 圖7 微反應(yīng)器合成MOF材料
總結(jié)與展望
微反應(yīng)器和連續(xù)流化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越多地被許多領(lǐng)域所接受，并以靈活可控的方式應(yīng)用于人們生活的方方面面。本文綜述了微反應(yīng)器的制備和設(shè)計(jì)原理，并詳細(xì)闡述了微反應(yīng)器在微納米材料加工和合成領(lǐng)域的廣泛適用性。因此，微反應(yīng)器是微納米材料合成的有效平臺(tái)。微反應(yīng)器可以在微觀尺度上運(yùn)行，這意味著分子碰撞頻率在在動(dòng)力學(xué)上被顯著增加，最終實(shí)有效改善產(chǎn)品生產(chǎn)周期。目前，微反應(yīng)器技術(shù)已經(jīng)成功地解決了工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)合成材料或化學(xué)品所面臨的一些問(wèn)題。
該成果以“Microreactor-based micro/nanomaterials: fabrication, advances, and outlook”為題，發(fā)表于英國(guó)皇家學(xué)會(huì)旗艦期刊 Materials Horizons。昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院冉劍鋒為本文第一作者，尹少華教授、李世偉教授和張利波教授為本文通訊作者。
論文信息
Microreactor-based micro/nanomaterials: fabrication, advances, and outlook
Jianfeng Ran, Xuxu Wang, Yuanhong Liu, Shaohua Yin, Shiwei Li and Libo Zhang
Mater. Horiz. , 2023
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