喷雾热解未来新方向！中南大学功能材料冶金领域重要进展
喷雾热解未来新方向！中南大学功能材料冶金领域重要进展
5月24日，中南大学冶金与环境学院李新海教授、王接喜副教授课题组在国际顶级期刊Chemical Society Reviews（IF= 40.182，JCR一区）上发表了题为“Advances in Nanostructures Fabricated via Spray Pyrolysis and Their Applications in Energy Storage and Conversion”的综述论文（2019，DOI: 10.1039/c8cs00904j）。
论文从材料制备和能源存储与转换应用出发，深入阐述了喷雾热解技术的设备组成、反应原理与形貌控制策略，归纳出不同形貌材料的喷雾热解可控制备方法，系统介绍了喷雾热解所制备功能材料在二次电池、超级电容器、催化剂及太阳能电池等领域的应用，总结了喷雾热解在制备功能材料方面的潜在优势和挑战，展望了喷雾热解未来的研究和发展方向。
该论文对喷雾热解制备功能材料的基础研究和工业应用具有重要指导意义。中南大学为论文第一完成单位，冶金与环境学院硕士生冷进为第一作者，王接喜副教授为第一通讯作者，合作者有澳大利亚伍伦贡大学郭再萍教授、厦门大学张桥保助理教授。论文在李新海教授及团队指导下完成。
图：喷雾热解制备能源材料概览
近年来，在国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金、国家博士后创新人才支持计划、中南大学创新驱动计划等项目的支持下，冶金与环境学院李新海教授、王接喜副教授所在研究团队在功能材料冶金方面开展深入研究，取得一系列重要进展。
（1）阐明了金属氯化物热解多相反应的物质转化规律、热解与烧结过程的结构演变机制，建立了“高温多物理场对流强化制备粉体材料及微纳结构调控”方法。开展多金属氧化物前驱体热解制备的研究，研究了阴离子种类、热解气氛、热解温度、外加组分等因素对前驱体物相、结构、形貌等的影响规律，建立了前驱体的形貌、结构的调控方法及振实密度的提升方法；揭示了材料合成过程的物相和形貌的转化规律，实现了镍基多元材料的可控制备；通过温度精准控制，采用流化床气相热解可控制备了有序/无序弥散分布的高性能硅负极材料。
（2）创造性地提出了“高冰镍两段氧化焙烧转型-盐酸浸出-多金属提取净化液喷雾热解”直接制备锂离子电池多元材料。阐明了高冰镍焙烧过程中低熔点硫化物抑制脱硫的作用机制，提出了“低温相变-高温脱硫”的两段氧化焙烧脱硫新方法；揭示了杂质元素在固-液相中的分配规律及多元素掺杂对材料晶体结构和性能的调控机制，构建了“多金属同时提取-定向净化-组元调控-固态组织定向生长与形貌控制”原理，形成了镍钴资源短流程直接制备多元材料的技术原型，为低品位镍钴矿以及废旧锂离子电池的经济清洁高效利用提供了新理论新方法。
（3）首创“锂云母矿相重构与可控复分解-选择性浸出与定向净化-一步法生产电池级碳酸锂”新技术。发明了固氟重构新方法，有效实现了锂云母中碱金属的矿相转型、高效浸出以及氟元素在渣中的固定，显著减少了重构剂用量；一步法直接制备电池级碳酸锂，无需制备工业级碳酸锂的中间步骤，显著缩短了流程。建成了全球首条从锂云母矿年产万吨级碳酸锂生产线，为缓解我国70%锂资源（含产品）依赖进口的突出矛盾发挥了重要作用。
我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、" 863"、"973"、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在"九五""十五"国防计划中还将特种功能材料列为"国防尖端"材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在"863"计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化;功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列; 高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权; 功能材料还在"两弹一星"、"四大装备四颗星"等国防工程中作出了举足轻重的贡献。
世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。但是，我们应该看到，我国功能材料的创新性研究不够，申报的专利数，尤其是具有原创性的国际专利数与我国的地位远不相称。我国功能材料在系统集成方面也存在不足，有待改进和发展。
文章来源：材料科学与工程