专利名称：一种连续合成无机纳米晶的微反应装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够实现无机纳米晶连续合成的微反应装置，具有稳定性好、得到 产品质量高、成本低，高度灵活的特点；属于微化学机械与无机非金属材料领域。
背景技术：
随着生态环境和能源问题的日益凸出，传统化工反应装置产生的高能耗、高污染己对人 类的生存空间构成巨大威胁。化工反应装置的微小化将直接导致能耗的降低与安全性的提高， 同时微环境下极强的传热与传质效率更可以实现多种化学品的高效生产，从而使与化学过程 相关的许多领域产生革命性的变化。无机纳米晶具有优异的光电、热电以及磁性质，在药物筛选、生物标记、医学成像等方 面表现出独特优势，将其应用到发光二极管和传感器、太阳能电池、激光、光通信、红外探 测等领域也将带来颠覆性的进步。高质量无机纳米晶的大量获得是进行相关科学研究与应用 的基础，无机纳米晶合成装置的研究已经成为科学界广泛关注的课题。目前，在烧瓶合成装置中进行的有机金属高温热解法已成为制备无机纳米晶的成功范例。 然而烧瓶合成装置所固有的控制精度差、温度控制响应慢以及间歇性操作等不足使合成反应 的可重复性大大降低，导致不同操作人员使用同样的装置不能得到质量相同的产品。此外， 此类合成装置几何尺寸的直接放大将使其控制精度与控制响应时间进一步恶化，因此难以实 现高质量纳米晶的大量生产。实用新型内容本实用新型的目的是丌发无机纳米晶合成的微反应装置，以实现高质量无机荧光纳米晶 的低成本、快速、高效、可重复以及连续生产。本实用新型的技术关键在于采用微尺度空间中(容积30~100微升)的磁力对流混合实现 低流速条件下两股、甚至多股原料的高效混合，同时使用微型管道中流体极快的传热特性实 现无机纳米晶合成过程中的瞬时形核，并使流出加热区域的流体在短时间内冷却至室温，实 现反应时间的精确控制；并通过各个功能组件的集成开发出成本低、稳定性高、灵活性好的 连续微合成装置，以实现多尺寸、单分散、高结晶度无机纳米晶的连续合成。本实用新型是通过以下技术方案实现的-一种连续合成无机纳米晶的微反应装置，其特征在于，所述装置包括给样系统、微混合 器、反应系统和收集容器，储液容器1与微量注射泵2相连构成给样系统，由至少两组给样系统通过微量注射泵2的出口管道汇合后接入微混合器3;反应系统为一个稳定的热源7以及置于稳定的热源7上的微型管道5,微型管道5的两端各有反应进口 4和反应出口 6;微混 合器3通过反应进口 4与反应系统相连，反应出口 6与收集容器8相连；其中，所说的微型管道为当量内径为0.2 0.5mm的内表面光滑的管道。本实用新型进一步改进的技术方案如下-上述装置中的反应系统为一个管式电炉14， 一根不锈钢支撑管16沿管式电炉的轴线置 于炉的中心位置，支撑管16的两端用隔热块17密封，将微型管道5置于支撑管16内，支撑 管16表面开孔，插入微型热电偶15。上述装置中的微混合器3为 一个置于磁力搅拌器9上的微型容器11内置有一磁力搅拌 棒13，在微型容器ll的底部设置有微混合器进口 IO与给样系统相连，顶部设置有微混合器 出口 12与反应系统相连。本微合成装置由给样系统、微混合器、反应系统和收集容器组成，见图一。由储液容器 1和微量注射泵2构成的进样系统将反应物料导入微混合器3;微混合器由微型储液容器和磁 性微棒构成，磁力搅拌造成的对流传质可以实现反应物料在低流速条件下的高效混合；混合 后的物料在稳定的热源7中进行加热，微型管道内极快的传热效率将物料在短时内(<18)迅速 加热至目标温度，以实现纳米晶核的瞬时形成，然后在恒定的温度下实现纳米晶的生长；流 出反应区域的合成产物迅速降至室温使反应淬灭，通过改变进样流速以及加热微型管道的长 度可实现反应时间的精确控制。有益效果本实用新型使用微空间内的对流混合实现了低流速条件下流体的高效混合，而且实用新 型中涉及的微通道可以通过多种方法实现，既可以使用微加工的方法在不同基体上刻蚀适当 尺寸的通道，也可以根据反应温度的不同选用多种材质的微管道。通过反应停留时间和反应 温度的精确控制，可以实现多种高质量无机纳米晶的可控、连续合成；同时，并行的微通道 数的增加以及操作时间的延长都有助于无机纳米晶的较大规模制备；此外，整个反应系统便 携的特点可以满足柔性生产的需要。
图1是无机纳米晶合成微反应系统的结构简图，其中，l一储液容器；2 —微量注射泵；3 —微混合器；4一反应进口； 5 —微型管道(当量 内径0.2-0.5mm); 6—反应出口； 7—稳定的热源；8—样品收集容器。图2是改进的纳米晶合成微反应装置的剖面图，其中，l一储液容器；2 —微量注射泵；3—微混合器；4—反应进口； 5 —微型管道(当量 内径200-50(Hma); 6 —反应出口； 7—稳定的热源；8—样品收集容器，9-磁力搅拌器IO—微 混合器进口； ll一微型容器；12 —微混合器出口； 13 —磁力微棒；14一管式电炉；15 —微型 热电偶；16—不锈钢支撑管；17 —隔热块。图3是改变停留时间对CdSe纳米晶的吸收光谱的影响。图4是改变反应温度对CdSe纳米晶的吸收光谱的影响。图5是CdSe纳米晶的UV-Vis吸收光谱和荧光光谱。.图6是CdSe纳米晶的TEM照片。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型作进一步阐述，但并不限制本实用新型的保护范围。 实施例(CdSe纳米晶的合成)(1) ，对CdSe纳米晶，各种原料的配比满足如下比例关系Se与CdO的摩尔比二5: 1，油 酸与CdO的摩尔比二10: 1，三正辛基膦与Se摩尔比二4: 1;按上述比例分别配制Se、 Cd前驱体，并使用十八烯和油胺稀释到等体积，在100。C下脱气1小时，然后装入严格 密封的注射器中；(2) 将Ni基磁力微棒13置于容积为80ml的聚四氟乙烯容器11内，构成微混合器。容器底 部和顶部分别设置溶液进口与出口，并置于普通磁力搅拌器9上；将注射器、微混合器、 微型管道使用聚四氟乙烯管连接，确保严格密封。将聚四氟乙烯微管5置于细不锈钢管 内，不锈钢管沿管式炉的轴线放在炉腔的中心位置，两端使用绝热材料严格密封；不锈 钢管表面开孔，插入微型热电偶15，见图2。开启管式炉14，缓慢升温(每分钟5°0， 待炉温稳定后(微型热电偶读数在10min内的变化不超过0.5。C)启动注射泵；(4)调整微量注射泵2的流速控制溶液在加热段的停留时间，调节管式炉的温度，以得到所 需尺寸的纳米晶。出口处6收集的样品进行吸收和荧光光谱测试。通过测试发现，在285°C 下，将停留时间从5s变化到30s可以导致CdSe纳米晶的吸收光谱出现显著红移，而且 吸收峰的半峰半宽在特定停留时间下出现最小值(20s， 17nm)，见图3。反应温度也对 CdSe的粒径和尺寸分布产生显著影响，较高温度下合成的CdSe纳米晶具有较大的粒径 和较窄的尺寸分布，见图4。通过采用最优的反应停留对间(20s)和反应温度(285。C), 可以实现高质量CdSe纳米晶(荧光光谱半峰宽 35nm)的连续合成，见图五，图6。此外，仅需改变Se前驱体与镉前驱体的进样比例，可以实现系列尺寸CdSe纳米晶的制备。
权利要求1、一种连续合成无机纳米晶的微反应装置，其特征在于，所述装置包括给样系统、微混合器、反应系统和收集容器，储液容器(1)与微量注射泵(2)相连构成给样系统，由至少两组给样系统通过微量注射泵(2)的出口管道汇合后接入微混合器(3)；反应系统为一个稳定的热源(7)以及置于稳定的热源(7)上的微型管道(5)，微型管道(5)的两端各有反应进口(4)和反应出口(6)；微混合器(3)通过反应进口(4)与反应系统相连，反应出口(6)与收集容器(8)相连；其中，所说的微型管道(5)为当量内径为200～500μm的内表面光滑的管道。
2、 如权利要求1所述的一种连续制备无机纳米晶的微合成装置，其特征在 于，所述装置中的反应系统为 一个管式电炉(14)， 一根不锈钢支撑管(16) 沿管式电炉的轴线置于炉的中心位置，支撑管(16)的两端用隔热块(17)密封， 将微型管道(5)置于支撑管(16)内，支撑管(16)表面开孔，插入微型热电 偶(15)。
3、 如权利要求1或2所述的一种连续制备无机纳米晶的微合成装置，其特 征在于，所述装置中的微混合器(3)为 一个置于磁力搅拌器(9)上的微型容 器(11)内置有一磁力微棒(13)，在微型容器(11)的底部设置有微混合器进 口 (10)与给样系统相连，顶部设置有微混合器出口 (12)与反应系统相连。
专利摘要本实用新型涉及在一种能够实现无机纳米晶连续合成的微反应装置，整个合成装置由进样系统、微混合器、微通道和加热组件构成，体现出以下优点(1)微混合器采用磁力搅拌造成的对流传质实现流体在低流速条件下的高效混合；(2)微通道的实现方法灵活、多变；(3)得到的纳米晶尺寸分布窄；(4)可以实现纳米晶的可控、连续合成。仅需改变前驱体种类，本微合成装置可以广泛适用于多种无机纳米晶的连续制备；同时，并行的微通道数的增加以及操作时间的延长都有助于无机纳米晶的较大规模制备；此外，整个合成系统便携的特点可以满足柔性生产的需要。
文档编号B01J19/00GK201120278SQ20072007650
公开日2008年9月24日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者杨洪伟, 栾伟玲, 涂善东 申请人:华东理工大学