Oppervlaktemodificatie van micro-nanodeeltjes met groot volume met atomaire nauwkeurigheid

Oppervlaktemodificatie van micro-nanodeeltjes op atomaire en bijna atomaire schaal is van groot belang voor hun toepassingen op verschillende gebieden, zoals energieopslag, katalyse, sensoren en biogeneeskunde. Om te voldoen aan de eisen van de industrie op deze gebieden, is het dringend noodzakelijk om grootschalige productie van atomair nauwkeurige coatings op deeltjesvormige materialen te ontwikkelen. Als geavanceerde extreme productiemethode is atomic layer deposition (ALD) een dunnefilmdepositiemethode die gaatjesvrije films biedt met nauwkeurige diktecontrole op angstrom-niveau en uitzonderlijke homogeniteit op complexe structuren. Wervelbed ALD (FB-ALD) heeft een groot potentieel getoond in atomair ultradunne films op grote hoeveelheden deeltjes.

In een nieuw artikel gepubliceerd in de International Journal of Extreme Manufacturing, heeft een team van onderzoekers, geleid door Prof. Rong Chen van het State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, China, het effect van ultrasone trillingen op de hydrodynamica en het deeltjesagglomeratiegedrag in een FB-ALD-reactor via CFD-DEM-simulatie. De drukdalingen en expansies van het bed, de turbulente kinetische energie van de vloeistof, de verdeling van de deeltjessnelheden en de vaste volumefractie, evenals de agglomeraatgroottes worden gepresenteerd om de fluïdisatiekwaliteit te karakteriseren. Verschillende amplitudes en frequenties van ultrasone trillingen worden onderzocht om de optimale omstandigheden te vinden voor het verbeteren van de fluïdisatiekwaliteit en de coatingefficiëntie van het FB-ALD-proces.

Om het effect van ultrasone trillingen op het algemene fluïdisatiegedrag te onderzoeken, wordt een typische ultrasone trilling met een frequentie van 20 kHz en een amplitude van 20 µm op de FB toegepast nadat de fluïdisatie een stabiele toestand heeft bereikt. Met het induceren van de ultrasone trilling neemt de snelheid van de deeltjes dicht bij de trillende wand onmiddellijk toe. Het aantal deeltjes met hoge snelheden neemt ook toe, wat leidt tot meer deeltjes-deeltjesbotsingen. Bovendien neemt de bedhoogte geleidelijk toe naarmate de tijd toeneemt, wat inhoudt dat de ultrasone trillingen de deeltjesverspreiding effectief kunnen bevorderen. Bovendien wordt kanalisering ook verminderd door het ultrasone veld. Deze verbeteringen van fluïdisatiegedrag zijn gunstig voor het deeltjescoatingproces, aangezien de precursormoleculen sneller en meer uniform in de agglomeraten kunnen diffunderen, waardoor de algehele coatingefficiëntie wordt verhoogd.

Vloeistof turbulente beweging is de belangrijkste reden voor deeltjes om willekeurige beweging te bereiken, en turbulentie kinetische energie is de belangrijkste factor voor het evalueren van de breukenergie voor deeltjesagglomeraten. Zonder de ultrasone trilling is de kinetische energie van de turbulentie vrij klein en blijft deze onveranderd. Zodra de ultrasone trilling is toegepast, neemt de maximale kinetische energie van de turbulentie echter sterk toe. Er wordt aangetoond dat de maximale kinetische energie van turbulentie toeneemt met toenemende frequentie of amplitude.

Karakteriseringen van het coördinatiegetal en de agglomeraatgrootteverdeling voor alle gevallen worden ook uitgevoerd om de deeltjesagglomeratie en het breukgedrag kwantitatief te onderzoeken. Wanneer de ultrasone frequentie is ingesteld op 20 kHz, neemt het de-agglomeratie-effect van het ultrasone veld toe met de ultrasone amplitude. Wanneer de ultrasone frequentie toeneemt van 10 kHz tot 20 kHz, neemt de kans op de agglomeraten gevormd door twee primaire deeltjes snel toe, terwijl de agglomeraten gevormd door drie tot tien primaire deeltjes allemaal afnemen. Dit geeft aan dat de ultrasone trillingen met de frequentie van 20 kHz de kleine agglomeraten verder kunnen breken in de kleinste agglomeraten of zelfs individuele deeltjes.

Om de simulatieresultaten te verifiëren, zijn vergelijkende coatingexperimenten uitgevoerd met ultrasone trillingen ondersteunde FB-ALD-reactor op NCM811-deeltjes, die een hoge energiedichtheid kunnen bieden in lithium-ionbatterijen (LIB’s) voor auto’s. De SEM-beelden van de gecoate nanodeeltjes laten ook zien dat de deeltjes in de ultrasone vibratie-ondersteunde FB-ALD effectief zijn verspreid, wat leidt tot meer conforme lagen en een hogere coatingefficiëntie. De experimentele gegevens komen goed overeen met de simulatieresultaten, die de effectiviteit van het dynamische multiscale CFD-DEM-model hebben geverifieerd.

Professor Chen Rong en andere onderzoekers in haar groep beantwoordden vragen over verschillende belangrijke punten bij het uitvoeren van de ultrasone vibratie-ondersteunde FB-ALD-technologie:

Is het huidige CFD-DEM-model van FB met een grootte van enkele millimeters nauwkeurig genoeg om het gedrag van de deeltjes te voorspellen in een opschaling van ultrasone trillingen ondersteunde FB-ALD-reactor?

“Hoewel het huidige multischaal CFD-DEM-model alleen schalen dekt van de eenvoudige agglomeraten tot de FB met een grootte van enkele millimeters, heeft het met succes de deeltjesagglomeratie en breukgedrag onthuld met ultrasone hulp. Met de ontwikkeling van de multischaaltheorie en computationele wetenschap, wordt aangenomen dat dit model verder wordt ontwikkeld voor een beter onderzoek van laboratoriumschaal tot productieschaal.”

Hoe beïnvloedt de ultrasone trilling de agglomeraatbreuk? Is het altijd beter om hogere ultrasone frequenties te gebruiken?

“Er bestaat een kritische waarde van de ultrasone frequentie. Wanneer de ultrasone waarde lager is dan de kritische waarde, nemen de gemiddelde deeltjessnelheid en de agglomeraatgrootte toe naarmate de ultrasone frequentie toeneemt. Wanneer de ultrasone frequentie deze kritische waarde overschrijdt (bijv. 40 kHz) beginnen de deeltjes te agglomereren in de buurt van de trillende muur.”

Met welke aspecten moeten we rekening houden bij het optimaliseren van de procesparameters of het ontwerpen van de ultrasone vibrerende FB-ALD-reactor voor het coaten van grote hoeveelheden nanodeeltjes?

“De selectie van de ultrasone frequenties of amplitudes hangt af van vele factoren, zoals de reactordruk, de equivalente cohesiekrachten tussen de deeltjes, evenals de deeltjesgrootteverdeling in de hele FB. Voor de optimale ontwerpreactor, kennis van aangrenzende velden zoals hydromechanica en werktuigbouwkunde is verder vereist.”

Onderzoekers hebben gesuggereerd dat verschillende soorten deeltjesmaterialen veel zullen profiteren van de ultrasone vibratie-ondersteunde FB-ALD-technologie. De hulp van ultrasone trillingen kan de snelheid van vloeistof en deeltjes in de buurt van de trillende muur effectief versnellen. Verbeterde fluïdisatiekwaliteit van nanodeeltjes zal ook ongetwijfeld de warmteoverdracht en precursordiffusie in de hele FB-ALD-reactor en de agglomeraten vergemakkelijken, wat de coatingefficiëntie aanzienlijk kan verbeteren.