氣相燃燒法制備納米材料的研究進展

胡彥杰，李春忠

(華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海200237)

氣相燃燒法制備納米材料的研究進展

胡彥杰，李春忠

(華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室，上海200237)

納米材料的氣相燃燒合成一般是指利用氣體燃料燃燒提供高溫，通過物理或者化學過程從氣溶膠中獲得納米材料的過程。氣相燃燒法可以制備不同結構的納米材料，具有過程連續(xù)、易于規(guī)?；?、無后處理、低成本等優(yōu)點，是納米材料制備最具工業(yè)化潛力的方法之一。氣相燃燒制備納米材料涉及快速高溫反應和產(chǎn)物單體成核、生長、凝并、團聚等過程，這些過程互相關聯(lián)、交互影響;納米材料制備過程中材料結構調(diào)控及材料生長機理成為近年來國內(nèi)外的研究重點。主要介紹了氣相燃燒反應器結構、材料制備、結構調(diào)控、應用性能和工業(yè)生產(chǎn)等方面的研究進展，并對其前景進行了展望。

氣相燃燒合成;納米材料;結構調(diào)控

1 前言

納米材料的氣相燃燒［1-3］合成，一般是指利用氣體燃料燃燒提供高溫，通過物理或者化學過程從氣溶膠中獲得納米顆粒的過程。通常前驅體以氣體、液滴或固體顆粒的形態(tài)注入反應區(qū)，液態(tài)和固態(tài)前驅體遇到高溫火焰后迅速蒸發(fā)汽化，汽化的前驅體發(fā)生反應生成產(chǎn)物的分子或分子簇。這些分子或分子簇很快就生長團聚(有時也伴隨有表面反應)成核為納米顆粒;這些納米顆粒之間發(fā)生相互碰撞、凝并以及產(chǎn)物蒸汽在一次粒子表面的凝結使粒子生長形成最終的產(chǎn)品納米材料。

氣相燃燒法制備納米材料過程快速高效、分散性能好，是制備納米顆粒材料的重要方法，也是最具工業(yè)化應用前景的方法之一。因此對于氣相燃燒制備納米顆粒材料的研究開發(fā)十分重視，許多公司、高校和研究院的專家均在從事這方面的研究工作，內(nèi)容涉及所制備的納米材料的形貌、結構、化學組成和晶體結構等諸多方面，尤其是高溫氣相反應過程中對納米材料的結構調(diào)控和復雜組分功能性納米材料的制備是近年來的研究熱點。

按照前驅體的加入方式，氣相燃燒合成可以細分為氣相燃燒(Vapor-Fed Aerosol Flame Synthesis，VAFS)、火焰輔助噴霧分解(Flame Assisted Spray Pyrolysis，F(xiàn)ASP)和火焰噴霧燃燒(Flame Spray Pyrolysis，F(xiàn)SP)3大類，如圖1所示［4］。氣相燃燒(VAFS)是指前驅體和燃料全部以氣態(tài)的方式加入燃燒反應器并點燃形成射流火焰，最終得到納米材料的過程，也是最為常見的一種方式，被廣泛的應用于SiO2，TiO2和Al2O3等納米顆粒材料的工業(yè)化制備?；鹧孑o助噴霧分解(FASP)是指將前驅體溶液霧化后通入火焰內(nèi)部，利用燃燒產(chǎn)生的高溫使霧滴分解生成產(chǎn)物納米材料的方法?；鹧鎳婌F燃燒(FSP)的基本過程與火焰輔助噴霧分解相似，區(qū)別在于前驅體溶液的溶劑作為燃料參與反應，因而反應溫度更高，同時由于燃燒過程中霧滴更容易破碎，因而可以制備粒徑更小的納米材料。由于前驅體采用溶液進料，不僅解決了前驅體的汽化和計量等方面的難題，可以制備復雜組分的氧化物或者非氧化物體系，使其更廣范的應用于電子、生物等領域，還可以通過控制霧滴在火焰中的汽化和分解速率，制備出各種具有空心結構或者核殼結構的納米材料，擴展了氣相燃燒合成的應用領域，因而近年來得到了迅速的發(fā)展。

圖1 氣相燃燒合成納米顆粒的形成過程Fig.1 Process of flame aerosol synthesis

2 燃燒反應器

目前，氣相燃燒法制備納米材料的發(fā)展趨勢是材料組分和結構復雜化，要求在反應過程中能夠精確控制所得材料的結構和成分，在納米結構層次上實現(xiàn)可控合成。在此要求下，氣相燃燒反應器不斷改進，最突出的進步就是前驅體進料方式的變化。由傳統(tǒng)的前驅體汽化后以氣態(tài)方式進入反應區(qū)，逐步擴展到前驅體以微小霧滴或者微小顆粒等液態(tài)或者固態(tài)的方式加入反應區(qū)域。這種進料方式的改變，極大地擴展了前驅體的選擇范圍，使得幾乎所有的可溶性鹽類都可以在水或者乙醇溶液中通過氣流剪切或者超超聲的方式形成微小霧滴，然后再引入火焰區(qū)進行反應。目前為止，通過此方式已經(jīng)可以制備出 TiO2及摻雜物 (Zn，V 摻雜)［5-7］等常見金屬氧化物納米顆粒材料以及一些氮化物(TiN)、碳化物(如TiC等)、氟化物(如 BaF2［12］)，甚至一些金屬碳酸鹽(如 BaCO3［13］)、磷酸鹽(如 Ca2(PO4)3［14］)等。

Partsinis課題組將噴霧燃燒裝置進行了改進，在燃燒火焰的上方區(qū)域安裝了一個類似淬火環(huán)裝置，通過調(diào)節(jié)其位置和通入的前驅體流量，可以方便地制備多種具有核殼結構的納米材料。這種裝置改變了所有的前驅體都通過傳統(tǒng)反應器燒嘴一次性加入的做法，而是在1種前驅體已經(jīng)反應生成顆粒以后，再通入第2種前驅體，讓第2種前驅體在已經(jīng)生成的納米顆粒表面進行反應并成核生長，實現(xiàn)了對初始納米顆粒的均勻包覆，最終得到包覆均勻完整的核殼型復合納米顆粒材料。該課題組利用這種裝置分別制備了等核殼結構的復合納米顆粒。在實驗過程中，不僅可以通過調(diào)整淬火環(huán)的高度，即改變核顆粒的生長時間來控制粒徑，還可以通過調(diào)整淬火環(huán)中第2種前驅體的流量來控制殼層產(chǎn)物的厚度。

此外，Choi課題組也通過改進燃燒反應器的結構設計制備了核殼結構納米材料。改進后的裝置的第2種前驅體加入的位置更靠近高溫反應區(qū)，不僅可以將非晶態(tài)的SiO2包覆在晶態(tài)的SnO2，TiO2等外部，還可以實現(xiàn)晶體 TiO2和 SnO2的互相包覆［17］。

Stark等人開發(fā)了還原性氣氛的火焰燃燒反應器，通過在燃燒火焰的外側加裝保護氣氛，嚴格控制加入的氧化劑和燃料的比例，使得燃料處于不完全燃燒的狀態(tài)，保持反應空間內(nèi)O2濃度始終小于10×10-5。利用此種燃燒反應器可以制備出多種納米級的金屬、金屬合金、金屬碳化物和碳包覆金屬的核殼型復合納米材料［18-22］。

Pratsinis等設計了雙燒嘴燃燒反應器［23］，該反應器采用成一定夾角的2個燒嘴，通過改變燒嘴之間的夾角和每個燒嘴加入的前驅體種類以及流量，極好地控制了多組分顆粒納米尺度的形成及混合，保持了各組分的可控性和分散性，實現(xiàn)了納米尺寸的可控混合，制備了分散性良好、性能優(yōu)良的Pt/Ba/Al2O3催化劑納米材料。

Okuyama課題組等人開發(fā)了采用固體前驅體進料［24］的燃燒反應器。該課題組研究了微米級的固體前驅體顆粒直接加入反應區(qū)域，在火焰產(chǎn)生的高溫下汽化，然后再成核生長制備納米顆粒材料的過程。不同的火焰溫度可以導致固態(tài)前驅體處于完全汽化，不完全汽化和不汽化等不同狀態(tài)，進而影響產(chǎn)物的形貌和性能。較高的火焰溫度有利于固態(tài)前驅體的汽化并容易得到粒徑較小的產(chǎn)品顆粒。通過火焰產(chǎn)生的高溫實現(xiàn)同種物質(zhì)由大到小的“粉碎”，為納米材料的制備開拓了新的思路。

3 氣相燃燒法制備納米材料

3.1 氧化物

氣相燃燒法制備納米顆粒的生產(chǎn)工藝早在20世紀40年代已由德國Degussa公司首先開發(fā)成功，其相對于傳統(tǒng)的液相制備方法，如溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、微乳液法等，具有設備、后處理工藝簡單，反應無污染、速率快等優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該生產(chǎn)工藝逐步得到改進，已成為一種規(guī)模化連續(xù)化生產(chǎn)納米顆粒的成熟工藝，被廣泛應用于生產(chǎn)炭黑(Carbon Blacks)，白炭黑(Fumed Silica)，TiO2，Al2O3，SnO2，F(xiàn)e2O3，ZrO2等單氧化物產(chǎn)品，并逐步擴展到生產(chǎn)SiO2/TiO2，ITO，ATO，V2O5/TiO2等復合氧化物以及一些非氧化物(TiB，TiN，SiC等)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的年產(chǎn)量可達幾百萬公噸，生產(chǎn)效率約為100 t/d。人們在該生產(chǎn)工藝的基礎理論、工藝設備、產(chǎn)品應用等方面也開展了廣泛深入的研究工作，其生產(chǎn)的產(chǎn)品的應用領域不斷擴展［25］。

近年來，對于納米顆粒材料的研究投入了更大熱情，尤其是液相進料噴霧燃燒反應器的廣泛應用，更加促使了這方面工作的開展。到目前為止，利用氣相燃燒法已經(jīng)可以制備幾十種納米顆粒材料，這些材料在催化、電子、光學、陶瓷等領域均取得了廣泛應用。

3.2 金屬及金屬合金

隨著還原氣氛噴霧火焰燃燒法裝置的發(fā)展，氣相燃燒不僅可以用來制備氧化物納米材料，還可以用來制備金屬或者金屬合金納米材料。Grass［18］等人利用氣相燃燒制備了體心立方晶相的Co納米顆粒，然后將其壓制成片狀的塊體材料，從而實現(xiàn)了納米材料自下而上的制備方法。實驗結果表明，這種塊體材料在1 000℃時仍能保持完整的納米級晶粒結構，并且具有非常高的硬度。Robert［20］等人利用類似的反應器制備了 Co/Bi合金，這種合金材料具有鋼鐵般的強度的同時還具有更加優(yōu)異的電導性能。他們還研究了2種金屬在合金中的比例對其性能的影響和2種不同粒徑的納米級顆粒材料在合金體系中的分散狀態(tài)對其導電性能的影響機理。Evagelos［19］等人利用氣相燃燒法制備的Ni/Mo合金的硬度高出其他方法制備得到的合金材料3倍，產(chǎn)物的透射電鏡和元素的場分布分析結果表明，2種金屬形成了完全互溶的合金狀態(tài)，沒有單組分元素結晶的情況出現(xiàn)，可以為合金材料超高的硬度作出解釋。

3.3 非氧化物

由于傳統(tǒng)的氣相燃燒過程是一個高溫氧化過程，所以一直被人們認為只能制備金屬或者半導體的氧化物納米材料，但是隨著噴霧燃燒方法的發(fā)展，通過改變前驅體溶劑的加入方式，噴霧燃燒法也被應用于制備非氧化物納米材料。Robert［12］等人利用噴霧燃燒法制備了CaF2，SrF2等一系列的氟化物和氯化物納米晶體材料。他們采用C6F6做前驅體的溶劑，在火焰中引入氟離子，由于氟的化學活性很高，所以在高溫火焰中可以制備氟化物，甚至在采用C6H5Cl做溶劑時，還可以制備NaCl這種典型的離子晶體。

3.4 特殊化學價態(tài)

氣相燃燒合成涉及到高溫氣相的快速化學反應過程，通常在高溫反應區(qū)的停留時間只有幾個毫秒，極高的反應溫度和極短的反應時間使得其可以制備一些其他方法難以制備的材料。人們利用氣相燃燒法制備了一些非化學計量比的化合物，開拓了氣相燃燒法的應用領域。Swapnil［26］等人利用氣相燃燒法制備了具有可見光活性的TiOx(x＜2)催化劑材料。他們研究了氧氣流量、距離燒嘴距離對Ti/O的比例關系的影響，不同的化學計量比對TiOx納米材料的能帶和可見光的吸收效率均有顯著影響。研究結果表明，x值為1.88＜x＜1.94的納米材料具有優(yōu)異的可見光催化性能。Pascal［27］等人也利用低壓預混火焰燃燒反應器，采用Sn(CH3)4作為前驅體制備了SnO2-x納米材料。通過工藝條件控制0.2＜x＜0.6，原子電子光譜(Atomic Electron Spectroscopy，AES)表征氧空位情況。

利用火焰燃燒技術不僅可以制備陰離子不足量的非化學計量比的納米材料，還可以用來制備特殊價態(tài)的陽離子化合物材料。Alexandra［28］等人利用噴霧燃燒反應器，采用TTIP作為前驅體制備了藍色TiO2納米材料。電子順磁共振(EPR)結果表明，顆粒中存在大量的Ti3+順磁中心，快速火焰過程中未完全氧化的Ti3+離子引起的吸收光譜的藍移是這種顏色產(chǎn)生的原因。為了保持這種藍色氧化物熱穩(wěn)定性，研究者還在TiO2顆粒外側包覆了一層SiO2，實驗結果表明，SiO2包覆的藍色氧化物材料具有良好的熱穩(wěn)定性，在1 000℃的加熱環(huán)境中仍能保持藍色，在室溫狀態(tài)下，更是可以保持數(shù)月而不變色。此外，TiO2中存在的Ti3+還可以提高TiO2潤濕性，這對于光催化超親水性能涂料具有重要作用，藍色亞鈦氧化物可應用于光學或裝飾領域，甚至可能取代傳統(tǒng)有毒且昂貴的鈷基藍色顏料。

4 氣相燃燒過程中納米材料的結構調(diào)控

4.1 氣相燃燒法制備零維納米材料

4.1.1 納米顆粒

氣相燃燒合成通常被用于球形或者類球形顆粒材料的制備。近年來，由于對火焰燃燒過程的深入研究和燃燒過程控制手段的增多，通過燃燒合成相繼制備了多種不同形貌和結構的顆粒材料。Teleki［29］等人制備了球形度完好的TiO2顆粒材料(如圖2a)，Grass［12］等人制備了立方形的BaF2顆粒材料(如圖2b)，Madler［30］等人制備了CeO2的多面體結構顆粒材料(如圖2c)，Height［9］等人制備了短棒形的ZnO顆粒材料等。

圖2 氣相燃燒法制備的不同形貌的納米材料:(a)球形TiO2顆粒，(b)立方形BaF2顆粒，(c)多面體形CeO2顆粒，(d)棒狀ZnO顆粒Fig.2 Nanoparticles via flame aerosol process:(a)TiO2sphere particles，(b)BaF2cube-like particles，(c)CeO2polyhedral particles，and(d)ZnO nanorods

4.1.2 納米復合顆粒

傳統(tǒng)的氣相燃燒法只能用于單一組分的金屬氧化物顆粒的制備。近年來，由于噴霧燃燒法的發(fā)展，利用噴霧燃燒法制備了越來越多的復雜組分和復雜結構的納米復合顆粒材料。Hung［31］等人利用對流擴散燃燒反應器制備了TiO2/SiO2復合顆粒，并研究了反應條件對顆粒粒徑分布的影響。Ifeacho和Wiggers［32］在低壓火焰燃燒反應器上利用顆粒質(zhì)量分光光度計研究了TiO2-SnO2復合顆粒粒徑和能帶的變化。Li［33］等采用流態(tài)化化學氣相淀積制備了SnO2和TiO2包覆Al2O3顆粒，發(fā)現(xiàn)SnO2和TiO2可以很好地包覆在Al2O3顆粒表面，并形成不同的包覆結構。董俊和楊宏昀［34］等利用氣相燃燒制備了SiO2/TiO2納米復合顆粒，并研究了其結構。Stark［35］等人制備了完全混合均勻的CeO2-ZrO2復合顆粒，如圖3a所示。Li［36］等人利用氣相氧化反應研究了 Al摻雜的TiO2形貌和晶體結構的變化。Strobel［37］等人利用金屬前驅體在高溫下的還原反應制備了Pd均勻分散在Al2O3顆粒表面的復合顆粒，如圖3b所示。Strobel［23］還利用成一定角度的雙噴嘴燃燒反應器，一步法制備了Ba-CO3-Al2O3均勻混合的顆粒材料，如圖3c所示。Tani［38］先將油相前驅體分散在水相中形成乳液，然后利用噴霧燃燒法制備了具有薄壁結構的Al2O3空心顆粒。胡彥杰［39］等人利用多重射流燃燒反應器，將SiCl4和 TiCl4同時由中心管加入，制備了TiO2均勻分散于SiO2中的彌散相顆粒材料，如圖3d所示。Telek等人利用氣相燃燒法也得到了類似的分散相顆粒。胡彥杰［40-41］等人通過改變前驅體的進料位置，制備了具有典型核殼結構的SiO2-TiO2復合顆粒，如圖3e所示。

圖3 氣相燃燒法制備納米復合顆粒:(a)混合相CeO2-ZrO2，(b)小顆粒附著在基體上的Pd-Al2O3，(c)兩種顆?；旌系腂aCO3-Al2O3，(d)彌散相的TiO2-SiO2復合顆粒，(e)核殼結構的TiO2-SiO2復合顆粒，(f)空心結構Al2O3Fig.3 Nanocomposites via flame aerosol process:(a)CeO2-ZrO2，(b)Pd-Al2O3，(c)BaCO3-Al2O3，(d)TiO2-SiO2，(e)TiO2-SiO2，and(f)Al2O3

4.1.3 具有空心結構的納米顆粒

Hu［42］等人利用高速射流中的節(jié)流冷卻效應制備了直徑為200～300 nm的Al2O3空心顆粒，其中存在直徑僅為10～15 nm，壁厚為5 nm的空心顆粒，這種小粒徑的空心顆粒是其他液相法很難制備的，其實驗裝置和產(chǎn)物形貌如圖4所示。Liu［43］等人利用同樣的方法也制備了具有殼中球結構的TiO2顆粒。TiO2空心球結構的形成機理是在考慮動力學和熱力學相互影響關系的基礎上提出的，也就是說空心球結構的形成倚賴于化學反應速率(乙醇燃燒和四氯化鈦水解)同擴散速率(四氯化鈦擴散)之間的競爭。這2個因素都是溫度的函數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗公式，溫度升高10 K，化學反應速率將翻倍，而擴散速率則幾乎同溫度呈線性關系。當溫度由低向高變化時，低溫傾向于化學反應動力學控制，有利于形成實心結構的顆粒;高溫傾向于擴散控制，有利于形成空心結構顆粒。其基本過程為:第一步，TiCl4溶液被N2載入蒸發(fā)器(250℃)，因乙醇和TiCl4的沸點較低，故溶液完全汽化形成混合蒸汽，進入反應器燒嘴，由于中心射流同二環(huán)低溫氣體的卷吸作用以及Joule-Thomson效應導致中心射流的溫度迅速下降，混合蒸汽冷凝成為微小液滴，進入氫氣/空氣燃燒產(chǎn)生的環(huán)形擴散火焰內(nèi)部，液滴內(nèi)的乙醇被引燃，這一過程符合ODOP(One-Droplet-to-One-Particle)理論，每一個小液滴作為一個微反應器單獨發(fā)生反應;第二步，在液滴的表面，乙醇的燃燒和蒸發(fā)同時劇烈進行，引起液滴尺寸收縮，與此同時，TiCl4在液滴表面水解形核;第三步，在高溫的反應環(huán)境下，液滴表面的反應速率遠遠高于擴散速率，導致液滴表面TiCl4濃度低于液滴內(nèi)部，所以TiCl4及乙醇在汽化燃燒過程中逐漸向表面擴散，在液滴表面完成反應且形核生長;第四步，如果后續(xù)反應溫度降低，導致內(nèi)部反應速率低于擴散速率，傳質(zhì)將不再向表面進行，伴隨著乙醇和TiCl4的反應，核心部分收縮形成殼中球結構，如果后續(xù)反應溫度仍然較高，傳質(zhì)將仍向表面進行，最終形成空心球結構;最后，高溫火焰導致所得顆粒發(fā)生部分鏈狀團聚，最終產(chǎn)物為鏈狀團聚體和獨立顆粒的混合體系。通過調(diào)節(jié)前驅體的進料速率和氣速，根據(jù)以上機理，可以精確控制二氧化鈦不同結構的形成。此方法為大量制備具有空心結構和殼中球結構的氧化物材料提供了一種有效的途徑。這些材料也因其特殊的結構和摻雜組分的存在而具有優(yōu)異的性能，在催化劑、傳感器、燃料電池、高性能陶瓷等方面得到廣泛的應用。

圖4 多重射流燃燒反應器制備Al2O3空心球裝置及產(chǎn)物形貌Fig.4 (a)Al2O3hollow nanostructures，(b)HRTEM images of Al2O3shell，(c)small hollow nanostructures aggregated on the outer Al2O3 shell，(d)TiO2hollow nanostructures，(e，f，g)TEM images of TiO2ball in shell nanostructure，(h)SEM images of TiO2ball in shell nanostructures，and(i)illustration of hollow nanostructures formation

4.2 氣相燃燒法制備一維納米材料

高溫條件下納米材料成核生長過程的影響因素極為復雜，因而在不同的燃燒反應器結構和不同的火焰燃燒形式下納米材料的制備工藝大不相同。近年來，隨著人們對火焰燃燒過程研究的不斷深入，氣相燃燒技術逐漸被應用于納米棒和納米線等一維納米材料的制備當中。李春忠課題組利用自行設計的具有多重套管結構的高速射流燃燒反應器，通過調(diào)節(jié)產(chǎn)物在火焰中的停留時間和金屬離子摻雜，制備合成了SnO2納米棒［44］。高速射流火焰氣相燃燒裝置由傳輸系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和收集系統(tǒng)3部分組成，裝置示意圖和產(chǎn)物形貌如圖5所示［44］。實驗過程中，火焰最高溫度為1 500℃，通過改變不銹鋼的長度改變火焰高度，進而調(diào)整顆粒在火焰中的停留時間。所得產(chǎn)物為納米棒狀，長度在100～300 nm之間，寬度在40～60 nm之間，長徑比為5左右，分散性較好。高分辨透射電子顯微鏡照片(HRTEM)和選區(qū)電子衍射結果表明:樣品中納米棒由單晶構成，屬于四方結構，顆粒軸向沿［001］方向生長。為了進一步改善產(chǎn)物形貌及收率，作者從元素摻雜(Li，K，F(xiàn)e，Zn，Sb)和顆粒在火焰中的停留時間兩方面因素來考察和優(yōu)化氣相燃燒合成制備SnO2納米棒狀結構材料的制備工藝。Fe相對于K，Na，Zn等元素具有更好的趨向誘導作用;通過延長顆粒在火焰中的停留時間可以為材料的取向生長提供充分的時間和環(huán)境。該方法同工業(yè)氣相燃燒工藝基本一致，能夠連續(xù)規(guī)?；苽溥@種材料，極具工業(yè)化生產(chǎn)前景。

李春忠課題組利用平板火焰氣相沉積反應裝置還制備了SnO2納米線，如圖6所示［45］。首先，前驅體在平板火焰中反應形成SnO2顆粒，部分顆粒沉積到基板上，成為下一步納米線生長的晶核;然后燃燒形成SnO2分子團簇在顆粒表面異質(zhì)形核并且逐漸生長成為單晶納米線。實驗結果表明，隨著沉積時間的增加，產(chǎn)物逐漸從顆粒生長成規(guī)則的納米線狀結構，沉積時間為40 min時所得樣品長度達到4 μm左右，直徑為40 nm，長徑比達到100，且尺寸較均勻。納米線的尖端部分均存在一個四方二氧化錫顆粒，這一現(xiàn)象說明平板火焰氣相沉積SnO2納米線的生長過程符合氣-固(V-S)機理。在整個實驗過程中，沒有催化劑存在，并且可以通過沉積時間來精確調(diào)控納米線的長度，實現(xiàn)了SnO2納米線的可控制備，為一維納米材料的制備提供了一種新方法。

李春忠課題組還利用氣相燃燒法分別制備了納米碳管［46］和螺旋狀的納米碳纖維［47］，其形貌如圖7 所示［46-47］。將催化劑前驅體和做為碳源的乙炔氣體同時通入燃燒反應器，催化劑前驅體在火焰中反應生成鐵氧化物催化劑，乙炔氣體一部分燃燒為整個反應體系提供熱量，另一部分則做為碳源在催化劑的作用下生成碳管。利用燃燒法制備納米碳材料歷史由來已久，最早可以追溯到中國古代利用松枝不完全燃燒制備墨粉，現(xiàn)在燃燒法被應用于大規(guī)模工業(yè)化制備炭黑，單套裝置的年產(chǎn)量可以達到萬噸級規(guī)模。利用火焰燃燒法制備納米碳管和碳纖維，由于其過程連續(xù)，產(chǎn)量高，易于工業(yè)化放大，是一種非常有工業(yè)化前景的納米碳材料制備方法。

此外，還有很多研究者利用氣相燃燒反應裝置開展了關于一維納米結構陣列制備方面的工作，例如Pratap［48］等人利用平板預混火焰燃燒反應器在無催化劑的情況下制備了Fe2O3和CuO納米晶須和納米線陣列。在反應過程中沒有催化劑的加入，僅通過調(diào)整金屬棒的加入位置和火焰的燃燒狀態(tài)，就可以獲得大量規(guī)則取向生長的納米晶須陣列結構，這種在金屬上直接生長的陣列結構在納米器件的制備領域有著潛在的應用價值。Merchan［49］等人利用對流燃燒反應器制備了一維MoO2方形空心管狀結構和樹枝狀的納米晶結構。

圖7 氣相燃燒法制備納米碳管和螺旋納米碳纖維形貌Fig.7 Morphology of carbon nanotube and nanofiber

4.3 氣相燃燒法制備納米薄膜材料

氣相燃燒沉積技術不僅被用于制備一維結構的納米材料，還被更廣泛的應用于制備二維的納米薄膜材料。此方法兼具化學氣相沉積和火焰燃燒的優(yōu)點，非常適合于制備大面積的功能性薄膜材料。Tricoli［50］等人利用火焰沉積和原位退火技術制備了具有良好防霧性能的SiO2和SiO2-TiO2復合超親水薄膜，這種膜兼具各種組分的性質(zhì)，即具有SiO2的防霧化性能又具有TiO2的自我清潔功能。實驗中氣相燃燒制備的SiO2，TiO2以及兩者混合物均沉積在7.5 cm×2.5 cm的玻璃片上，利用二甲苯所形成的火焰對沉積的薄膜進行原位退火以增加納米材料在玻璃上的附著力和穩(wěn)定性。在透射電鏡照片中可以看到，SiO2薄膜由約為10～15 nm的納米線或纖維狀物質(zhì)交織所形成，TiO2薄膜由直徑為3～5 nm的納米顆粒組成，具有多孔結構。在太陽光輻照下，納米材料形成的超親水涂層潤濕接觸角很小，使水滴在其表面完全鋪展，抑制了水滴的形成，從而使帶有涂層的玻璃具有防霧效果。實驗證明，要想獲得完全的防霧化性能，納米薄膜的最小厚度必須達到200～300 nm，且經(jīng)過15 s的原位退火處理，納米薄膜的機械性、穩(wěn)定性可得到加強。該實驗結果為通過氣相燃燒反應器合成復合膜提供了廣泛的應用前景，此外，火焰沉積制備的納米材料薄膜在傳感器、新能源電池等領域也有著廣泛的應用。

5 氣相燃燒法制備納米材料的性能及其應用

隨著氣相燃燒法制備納米材料的不斷發(fā)展，人們已不滿足單純的制備納米材料，而是越來越關注納米材料的制備過程與納米材料的結構、性能和應用領域的關系。也就是說，人們開始更關注納米材料最終的應用性能，以便納米材料及其制備的器件逐漸應用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活當中。

5.1 在催化劑制備領域的應用

相對于傳統(tǒng)的制備方法，氣相燃燒法在制備催化劑方面具有獨特的優(yōu)勢。氣相燃燒法的制備過程非常簡單，只有前驅體溶液配置，經(jīng)過火焰燃燒后就可以直接得到產(chǎn)品催化劑，免除了傳統(tǒng)的液相法制備過程中多次洗滌、過濾、干燥等繁瑣的步驟，減少了雜質(zhì)的引入。同時由于氣相燃燒法涉及高溫快速氣相反應過程，極短的反應時間使產(chǎn)物中存在大量的缺陷和空位，這種缺陷恰恰可以作為催化劑的反應活性中心，提高其催化性能。

利用氣相燃燒法制備納米催化劑材料尤其是貴金屬負載的催化劑材料在各個領域都得到了廣泛應用。利用氣相燃燒法可以將貴金屬顆粒均勻的分布在載體表面，通過其與基體形成的電子共軛效應提高催化性能。Robert［51］等人將 Pt負載在 Al2O3和 BaCO3上制備了吸收和降解NOx的催化劑材料;Richard［52］等人研究了CeO2負載的Cu催化劑對CO優(yōu)先氧化的性能，并對其催化劑結構和機理進行了細致的分析;Weidenhof［53］等人利用噴霧燃燒反應器制備了多種復雜組分的催化劑納米材料。他們詳細研究了催化劑各組分之間的比例關系對催化性能的影響規(guī)律，并利用正交試驗得出了最優(yōu)化的工藝條件和組分之間的比列關系。這類系統(tǒng)性的研究工作為燃燒法制備催化劑的工業(yè)化應用奠定了基礎。

5.2 在傳感器領域的應用

氣相燃燒法很早就被應用于傳感器材料的制備，開始人們僅關注材料的制備即如何通過工藝條件控制傳感器氣敏材料的粒徑、晶型、團聚狀態(tài)等理化指標，目的是為了提高傳感器的性能。在這一階段，人們圍繞SnO2，TiO2等氣敏材料的制備進行了大量的研究工作，不僅僅對其粒徑、晶型可以進行很好的控制，而且對于貴金屬、稀土元素甚至陰離子摻雜等都有比較深入的研究。Norman［54］等人利用還原氣氛噴霧燃燒反應器制備了C包覆層僅有2～3 nm的Cu納米顆粒，并將此納米材料與聚合物進行復合，制備了高靈敏性的光學檢測濕敏傳感器。該傳感器可以對H2O和乙醇蒸汽進行快速響應，并且可通過薄膜的光學顏色變化進行體現(xiàn)，這種傳感器在快速檢測領域有著非常廣泛的應用前景。

近年來，隨著火焰沉積技術的發(fā)展，人們越來越關注氣敏材料的制備和微電子加工工藝的結合，希望能夠一步法制備氣敏元器件，縮短制備工藝和成本。Pratsinis［55］等人開發(fā)的原位退火工藝將氣敏材料的原位制備、原位沉積和原位退火同時進行，為在晶圓級別實現(xiàn)微傳感器的工業(yè)化制備提供了新思路。

5.3 在新能源領域的應用

與在傳感器領域的應用一樣，氣相燃燒法在新能源領域的應用也逐漸從關注材料的制備過渡到關注器件的制備?；鹧娉练e技術已經(jīng)被應用于染料敏化太陽能電池、鋰離子電池等諸多領域，但是到目前為止，這些技術都還停留在實驗室階段，有待于進一步的研究。例如，Thimsen［56］等人利用火焰沉積技術將TiO2納米陣列沉積在導電玻璃表面直接構筑染料敏化太陽能電池所需的薄膜材料。TiO2沉積在導電玻璃表面可以生成規(guī)則的納米短棒陣列，而且在陣列間有較大的孔隙率適宜染料吸附，因而可制備光電轉化效率較高的太陽能電池元器件。Chew［57］等人也利用火焰沉積和原位退火技術制備了鋰離子電池所需的LiMn2O4電極，其制備的電極具有良好的循環(huán)伏安特性。隨著火焰沉積技術的不斷發(fā)展，由于其特有的優(yōu)點，在納米材料和器件的制備中必將獲得越來越廣泛的應用。

5.4 在生物醫(yī)用領域的應用

具有良好生物相容性的納米磁性材料在靶向藥物等領域有著廣泛的應用，利用氣相燃燒法可以制備高磁性、高比表面積的磁性納米材料。Stark課題組在此領域開展了大量的研究工作。其制備的C包覆Fe，Co等磁性納米材料通過表面接枝多種官能團，可方便地進行載藥或者吸附。同時由于氣相燃燒法制備的納米顆粒具有較高的磁性能，所以在磁靶向藥物領域具有較好的應用前景。

利用噴霧燃燒技術制備的Ca3(PO4)2，是一種良好生物相容性的骨修復材料，還可以作為其他藥物的載體材料植入體內(nèi)，從而起到治療和修復的作用。Loher［58］等人利用噴霧燃燒法制備了Ca3(PO4)2納米材料，同時將Ag顆粒沉積在Ca3(PO4)2表面，再將復合顆粒材料與聚合物混合制備成薄膜。這種薄膜可以實現(xiàn)Ag離子的緩釋功能，達到長期抗菌的功效。Schneider［59］等人將Ca3(PO4)2與PLGA混合制備成棉花纖維狀的復合材料，可以植入體內(nèi)幫助受損的骨骼進行修復等。

總之，氣相燃燒法制備的納米材料在生物醫(yī)藥領域的研究才剛剛開始，更多的應用領域等待人們?nèi)ラ_拓。

6 氣相燃燒法制備納米材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

氣相燃燒法制備納米顆粒過程涉及氣相高溫快速反應的過程控制、納米顆粒的成核與生長、反應器結疤、強腐蝕納米顆粒的收集等一系列的難題［60］。僅有德國Degussa、Wacker、美國Cabot、日本 Tokuyama、烏克蘭卡路什等幾家公司掌握這一工藝的核心技術。目前，主要被應用于納米SiO2，TiO2，Al2O3等多種粉體的工業(yè)化制備，其中以SiO2和TiO2應用最為廣泛。

氣相燃燒法制備的SiO2顆粒材料具有卓越的補強性、增稠性、觸變性、消光性、分散性、絕緣性、防粘性等特異性能，被廣泛應用于橡膠、涂料、醫(yī)藥、油墨、化妝品、航空航天、建筑、食品衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)等領域。在白炭黑100余萬t的年需求量中，氣相燃燒法制備的SiO2顆粒材料的市場已經(jīng)達到11萬余t，市場份額高達10億美元以上。2002～2005年我國氣相燃燒法SiO2顆粒材料的需求達到1.5～2.0萬t，市場份額超過15億人民幣。

為了搶占亞洲地區(qū)對氣相法制備納米二氧化硅長期需求的巨大市場，國外的幾家主要的生產(chǎn)廠家競相在亞洲投資設廠。卡博特(Cabot)(中國)投資有限公司和藍星化工新材料股份有限公司組成的合資公司，于九江市永修縣星火工業(yè)園區(qū)建設了4 800 t/a的生產(chǎn)線，并于2006年5月建成投產(chǎn)。德固薩公司(Degussa)在泰國首都曼谷南部的Map Ta Phut新建的氣相法白碳黑工廠于2006年10月正式投產(chǎn)。日本德山株式會社在嘉興港區(qū)投資建設的氣相二氧化硅新工廠總投資6 000萬美元，項目于2005年10月開工建設，2006年正式投產(chǎn)。此外，道康寧和瓦克公司合資在張家港投建的氣相二氧化硅工廠二期擴建項目已于2011年投產(chǎn)，合資雙方投資總額達18億美元，年產(chǎn)硅氧烷和氣相二氧化硅約21萬t。

我國氣相燃燒法制備納米SiO2與國外先進水平差距較大。不但缺乏具有自主知識產(chǎn)權的核心技術和設備，而且顆粒的制備技術還不成熟，生產(chǎn)工藝落后，裝置規(guī)模小，產(chǎn)品質(zhì)量不高。目前我國僅有廣州吉必時科技實業(yè)有限公司、沈陽化工股份有限公司、上海氯堿公司電化廠等少數(shù)廠家可以生產(chǎn)納米SiO2，而且同類產(chǎn)品的價格只有進口產(chǎn)品的一半，同時品種牌號單一不能滿足不同領域不同用戶的需要。2003年華東理工大學超細材料制備與應用教育部重點實驗室與上海氯堿化工股份有限公司的有關科技人員，在上海市納米技術專項資金，國家自然科學資金重點及面上項目和上海氯堿化工股份有限公司等大力資助下，通過小試研究和100 t/a規(guī)模的中間放大試驗，攻克了氣相燃燒法制備納米SiO2的關鍵技術和關鍵設備。近年來，他們利用200～500 t/a規(guī)模的納米SiO2氣相燃燒工業(yè)化試生產(chǎn)裝置(如圖8所示)解決了由中試技術過渡到連續(xù)化大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)遇到的問題，開發(fā)了納米SiO2氣相燃燒工業(yè)制備集成技術，形成具有自主知識產(chǎn)權的氣相燃燒法納米SiO2千噸級大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術。

圖8 200～500 t/a規(guī)模的納米SiO2氣相燃燒工業(yè)化試生產(chǎn)裝置Fig.8 Equipment for preparation SiO2via flame aerosol process of 200～500 t/a

此外，由廣州吉必時科技實業(yè)有限公司和中橡集團炭黑工業(yè)研究設計院共同組織起草的我國第一個氣相二氧化硅標準GB/T 20020-2005氣相二氧化硅，于2006年5月1日正式開始實施，氣相燃燒法納米二氧化硅的生產(chǎn)也逐漸進入一個高速穩(wěn)定的發(fā)展階段。

7 結語

氣相燃燒法制備納米材料具有過程連續(xù)，易于規(guī)模化、無后處理工序、成本低等優(yōu)點，在納米材料的制備、結構調(diào)控等方面有其獨有的優(yōu)勢，其制備的納米材料在催化、傳感器、新能源和生物領域都有著廣泛的應用。

氣相燃燒法制備納米材料的發(fā)展趨勢是材料組分和材料結構復雜化，其難點在于反應過程中精確控制所得材料的結構和成分，在納米結構層次上實現(xiàn)可控制備。

此外，隨著氣相燃燒法制備納米材料的不斷發(fā)展，人們不滿足單純的制備出納米材料，而是越來越關注納米材料的制備過程與材料的結構、性能和應用領域的關系。如何提高納米材料最終的應用性能，使得納米材料及其制備的器件逐漸應用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活當中成為人們關注的熱點。

References

［1］Pratsimis Sotiris E，Vemery Srinivas.Particle Formation in Gases:a Review［J］.Powder Technology，1996，88(3):267-273.

［2］Pratsinis S E.Flame Aerosol Synthesis of Ceramic Powders［J］.Progress Energy Combution Science，1998，24:197-219.

［3］Stark W J，Pratsinis S E.Aerosol Flame Reactors for Manufacture of Nanoparticles［J］. Powder Technology，2002，126:103-108.

［4］Reto Strobel，Sotiris E.Pratsinis.Flame Aerosol Synthesis of Smart Nanostructured Materials［J］.J Mater Chem，2007，17:4 743-4 756.

［5］Zhao Yin，Li Chunzhong，Liu Xiuhong.Surface Characteristics and Microstructure of Ddispersed TiO2Nanoparticles Prepared by Diffusion Flame Combustion［J］.Materials Chemistry and Physics，2008，107:344-349.

［6］Zhao Yin，Li Chunzhong，Liu Xiuhong.Zn-Doped TiO2Nanoparticles with High Photocatalytic Activity Synthesized by Hydrogen-Oxygen Diffusion Flame［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2008，79:208-215.

［7］Tian Baozhu，Li Chunzhong，Gu Feng.Flame Sprayed V-Doped TiO2Nanoparticles with Enhanced Photocatalytic Activity under Visible Light Irradiation［J］.Chemical Engineering Journal，2009，151:220-227.

［8］Wooldridge M S.An Experimental Investigation of Gas-Phase Combustion Synthesis of SiO2Nanoparticles Using a Multi-Element Diffusion Flame Burner［J］.Combustion and Flame，2002，131:98-109.

［9］Tok A I Y，Boey F Y C，Zhao X L.Novel Synthesis of Al2O3Nano-Particles by Flame Spray Pyrolysis［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，178:270-273.

［10］Strobel R，Pratsinis S E，Direct Synthesis of Maghemite，Magnetite and Wustite Nanoparticles by Flame Spray Pyrolysis［J］.Adv Powder Technol，2009，20:190-194.

［11］Murray J Height，Lutz Ma¨dler，Sotiris E.Pratsinis Nanorods of ZnO Made by Flame Spray Pyrolysis［J］.Chem Mater，2006，18，572-578.

［12］Grass Robert N，Stark Wendelin J.Flame Synthesis of Calcium-，Strontium-，Barium Fluoride Nanoparticles and Sodium Chloride［J］.Chem Commun，2005:1 767-1 769.

［13］Strobel R，Maciejewski M，Pratsinis S E，etal.Unprecedented Formation of Metastable Monoclinic BaCO3Nanoparticles［J］.Thermochim Acta，2006，445:23-26.

［14］Loher Stefan，Stark Wendelin J，Maciejewski Marek.Fluoro-Apatite and Calcium Phosphate Nanoparticles by Flame Synthesis［J］.Chem Mater，2005，17:36-42.

［15］Alexandra Teleki，Heine Martin C，Krumeich Frank，etal.In Situ Coating of Flame-Made TiO2Particles with Nanothin SiO2Films［J］.Langmuir，2008，24:12 553-12 558.

［16］Teleki A，Suter M，Kidambi P，etal.Hermetically-Coated Superparamagnetic Fe2O3Particles with SiO2Nanofilms［J］.Chem Mater，2009，21:2 094-2 100.

［17］Sheen Sowon，Yang Sangsun，Jun Kimin，etal.One-Step Flame Method for the Synthesis of Coated Composite Nanoparticles［J］.J Nanopart Res，2009，11:1 767-1 775.

［18］Grass R N，Stark W J.Gas Phase Synthesis of fcc-Cobalt Nanoparticles［J］.J Mater Chem，2006，16，1 825-1 830.

［19］Athanassiou E K，Grass R N，Osterwalder N，etal.Preparation of Homogeneous，Bulk Nanocrystalline Ni/Mo Alloys with Tripled Vickers Hardness Using Flame-Made Metal Nanoparticles［J］.Chem Mater，2007，19:4 847-4 853.

［20］Luechinger Norman A，Grass Robert N，Athanassiou Evagelos K，etal.Bottom-up Fabrication of Metal/Metal Nanocomposites from Nanoparticles of Immiscible Metals［J］.Chem Mater，2010，22:155-160.

［21］Herrmann Inge K，Grass Robert N，Mazunin Dmitry，etal.Synthesis and Covalent Surface Functionalization of Nonoxidic Iron Core-Shell Nanomagnets［J］.Chem Mater，2009，21，3 275-3 281.

［22］Athanassiou E K，Grass R N，Stark W J.Large-Scale Production of Carbon-Coated Copper Nanoparticles for Sensor Applications［J］.Nanotechnology，2006，17:1 668-1 673.

［23］Strobel R，M?dler L，Piacentini M，etal.Two-Nozzle Flame Synthesis of Pt/Ba/Al2O3for NOxStorage［J］.Chem Mater，2006，18:2 532-2 537.

［24］Widiyastuti W，Purwanto Agus，Wang Weining，etal.Nanoparticle Formation Through Solid-Fed Flame Synthesis:Experiment and Modeling［J］.AIChE J，2009，55:885-895.

［25］Athanassiou Evagelos K，Grass Robert N，Stark Wendelin J.Chemical Aerosol Engineering as a Novel Tool for Material Science:From Oxides to Salt and Metal Nanoparticles［J］.Aerosol Science and Technology，2010，44:161-172.

［26］Dhumal Swapnil Y，Daulton Tyrone L，Jiang Jingkun.Synthesis of Visible Light-Active Nanostructured TiOx(x＜2)Photocatalysts in a Flame Aerosol Reactor［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2009，86:145-151.

［27］Ifeacho P，Hülser T，Kravets V，etal.Synthesis and Electrical Characterization of SnOxNanoparticles from a Low-Pressure H2/O2/Ar Flame Reactor［C］.Proceedings of the European Combustion Meeting，2005.

［28］Teleki A，Pratsinis S E.Blue Nano Titania Made in Diffusion Flames［J］.Phys Chem Chem Phys，2009，11:3 742-3 747.

［29］Teleki A，Pratsinis S E，Wegner K，etal.Flame-Coating of Titania Particles with Silica［J］.J Mater Res，2005，20:1 336-1 347.

［30］Maedler L，Stark W，Pratsinis S E.Flame-Made Ceria Nanoparticles［J］.J Mater Res，2002，17:1 356-1 362 .

［31］Hung Chenghung，Katz Joseph L.Formation of Mixed Oxide Powders in Flames:Part I.TiO2-SiO2［J］.J Mater Res，1992，7:1 861-1 869.

［32］Pascal Ifeacho，Hartmut Wiggers，Paul Roth.SnO2/TiO2Mixed Oxide Particles Synthesized in Doped Premixed H2/O2/Ar Flames［C］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30:2 577-2 584.

［33］Li C Z，Hua B.Preparation of Nanocrystalline SnO2Thin Film Coated Al2O3Ultrafine Particles by Fluidized Chemical Vapor Deposition［J］.Thin Solid Films，1997，310(1-2):238-243.

［34］Dong Jun(董 俊)，Yang Hongjun(楊宏昀)，Li Chunzhong(李春忠)，etal.氣相燃燒合成納米復合粒子的形態(tài)與結構［J］.Chinese Journal of Inorganic Chemistry(無機化學學報).2003，19(2):142-146.

［35］Stark W J，M?dler L，Maciejewski M，etal.Flame Synthesis of Nanocrystalline Ceria-Zirconia:Effect of Carrier Liquid［J］.Chem Commun，2003，5:588-589.

［36］Li C Z，Shi L Y，Xie D M，etal.Morphology and Crystal Structure of Al-Doped TiO2Nanoparticles Synthesized by Vapor Phase Oxidation of Titanium Tetrachloride［J］.Journal of Non-Crystalline Solids，2006，38:4 128-4 135.

［37］Strobel R，Krumeich F，Stark W J，etal.Flame Spray Synthesis of Pd/Alumina Catalysts and Their Behavior in Enantioselective Hydrogenation［J］.J Catal，2004，222:307-314.

［38］Tani Takao，Watanabe Naoyoshi，Takatori Kazumasa.Morphology of Oxide Particles Made by the Emulsion Combustion Method［J］.J Am Ceram Soc，2003，6:898-904.

［39］Hu Yanjie(胡彥杰)，Li Chunzhong(李春忠)，Gu Feng(顧鋒)，etal.多重射流燃燒反應制備的TiO2/SiO2納米復合顆粒的形態(tài)和結構［J］.Chinese Journal of Inorgaic Chemistry(無機化學學報)，2006，22(12):2 253-2 257.

［40］Hu Yanjie(胡彥杰)，Li Chunzhong(李春忠)，Cong Dezi(叢德滋)，etal.氫氧焰燃燒合成核殼結構納米TiO2/SiO2復合顆粒及機理分析［J］.Chinese Journal of Inorgaic Chemistry(無機化學學報)，2007，22(2):205-208.

［41］Hu Yanjie，Li Chunzhong，Gu Feng，etal.Facile Flame Synthesis and Photoluminescent Properties of Core/shell TiO2/SiO2Nanoparticles［J］.Journal of Alloys and Compounds.2007，432(1):5-9.

［42］Hu Yanjie，Li Chunzhong，Gu Feng，etal.Preparation and Formation Mechanism of Alumina Hollow Nanospheres via High-Speed Jet Flame Combustion［J］.Ind Eng Chem Res，2007，46:8 004-8 008.

［43］Liu Jie，Hu Yanjie，Gu Feng，etal.Flame Synthesis of Ball-in-Shell Structured TiO2Nanospheres［J］.Ind Eng Chem Res，2009，48:735-739.

［44］Liu Jie，Gu Feng，Hu Yanjie，etal.Flame Synthesis of Tin Oxide Nanorods:A Continuous and Scalable Approach［J］.J Phys Chem C，2010，114:5 867-5 870.

［45］Liu Jie，Hu Yanjie，Gu Feng，etal.Tin Oxide Nanowires Synthesized via Flat Flame Deposition:Structures and Formation Mechanism［J］.Ind Eng Chem Res，2011，50:5 584-5 588.

［46］Zhou Qiuling，Li Chunzhong，Gu Feng，etal.Flame Synthesis of Carbon Nnanotubes with High Density on Stainless Steel Mesh［J］.Journal of Alloys and Compounds，2008，463:317-322.

［47］Wang Lanjuan，Li Chunzhong，Gu Feng，etal.Facile Flame Synthesis and Electrochemical Properties of Ccarbon Nanocoils［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，473:351-355.

［48］Rao Pratap M，Zheng Xiaolin.Rapid Catalyst-Free Flame Synthesis of Dense，Aligned α-Fe2O3Nanoflake and CuO Nanoneedle Arrays［J］.Nano Lett，2009，9:3 001-3 009.

［49］Lili Cai，Rao Pratap M，Zheng Xiaolin.Morphology-Controlled Flame Synthesis of Single，Branched，and Flower-like α-MoO3Nanobelt Arrays［J］.Nano Lett，2011，11:872-877.

［50］Tricoli A，Righettoni M，Pratsinis S E.Anti-Fogging Nanofibrous SiO2and Nanostructured SiO2-TiO2Films Made by Rapid Flame Deposition and In-Situ Annealing［J］.Langmuir，2009，25:12 578-12 584.

［51］Büchel R，Strobel R，Krumeich F，etal.Influence of Pt Location on BaCO3or Al2O3during NOxStorage Reduction［J］.Journal of Catalysis，2009，261:201-207.

［52］Kydd Richard，Teoh Wey Yang，Wong Kenneth.Flame-Synthesized Ceria-Supported Copper Dimers for Preferential Oxidation of CO［J］.Adv Funct Mater，2009，19:369-377.

［53］Weidenhof B，Reiser M，Stowe K，etal.High-Throughput Screening of Nanoparticle Catalysts Made by Flame Spray Pyrolysis as Hydrocarbon/NO Oxidation Catalysts［J］.J AM CHEM SOC，2009，131:9 207-9 219.

［54］Luechinger Norman A，Loher Stefan，Athanassiou Evagelos K.Highly Sensitive Optical Detection of Humidity on Polymer/Metal Nanoparticle Hybrid Films［J］.Langmuir，2007，23:3 473-3 477.

［55］Kühne S，Graf M，Tricoli A，etal.Wafer-Level Flame-Spray-Pyrolysis Deposition of Gas-Sensitive Layers on Microsensors［J］.J Micromechanics and Microengineering，2008，18:35-40.

［56］Thimsen Elijah，Rastgar Neema，Biswas Pratim.Nanostructured TiO2Films with Controlled Morphology Synthesized in a Single Step Process:Performance of Dye-Sensitized Solar Cells and Photo Watersplitting［J］.J Phys Chem C，2008，11，4 134-4 140.

［57］Chew S Y，Patey T J，Waser O，etal.Thin Nanostructured LiMn2O4Films by Flame Spray Deposition and in Situ Annealing Method［J］.Journal of Power Sources，2009，189:449-453.

［58］Loher Stefan，Schneider Oliver D，Tobias Maienfisch.Micro-or Ganism-Triggered Release of Silver Nanoparticles from Biodegradable Oxide Carriers Allows Preparation of Self-Sterilizing Polymer Surfaces［J］.Small，2008，4:824-832.

［59］Schneider Oliver D，Loher Stefan，Brunner Tobias J，etal.Silver Containing Nanocomposites for the Repair of Bone Defects:Antimicrobial Effect Against E.Coli Infection and Comparison to Tetracycline Containing Scaffolds［J］.J Mater Chem，2008，18:2 679-2 684.

［60］Li Chunzhong，Hu Yanjie，Yuan Weikang.Nanomaterials Synthesized by Gas Combustion Flames:Morphology and Structure［J］.Particuology，2010，8:556-562.

Progress on Flame Aerosol Synthesis of Nanomaterials

HU Yanjie，LI Chunzhong
(Key Laboratory for Ultrafine Materials of Ministry of Education，East China University of Science＆ Technology，Shanghai 200237，China)

The gas combustion flame technology refers to the formation of nanomaterials from gases in flames.Flame synthesis which has many advantages，such as continuous，scalable，without post-treatment，low cost and large quantities，has become an established way to produce nanomaterials with desired characteristics on an industrial scale.The flame aerosol synthesis for the nanoparticles involves the following processes such as rapid high-temperature vapor reaction，the nucleation，growth，agglomeration，and so on.Meanwhile these processes correlate and interact，which making complex for the formation of nanomaterials.Therefore，the study of the preparation of nanoparticles and the corresponding growth mechanism in this complex flame environment has become the research emphasis in recent years.In this paper，we mainly introduced flame reactor，material preparation，structure control，application filed and commercial process base on flame aerosol process，and to explore its possible development in the future.

flame aerosol synthesis;nanomaterials;structure control

李春忠

TB383.1

A

1674-3962(2012)03-0044-12

2011-11-18

國家自然科學基金資助項目(20925621，20906027)

胡彥杰，男，1979年生，博士

李春忠，男，1967年生，教授，博士生導師