多级/多通道微撞击流反应器制备Ni-Co-O超级电容器电极材料的机理研究

High performance composites are finding more and more applications in many important fields. However, traditional stirring tank reactors tend to produce composites with unsteady quality and wide composition distributions at very high energy consumption and low efficiency, due to the internal weak micro-mixing and mass transfer of these reactors. Therefore, new synthesis technologies with intensified micro-mixing are urgently needed. In this proposal, a multi-stage/multi-channel micro-impinging stream reactor (MM-MISR) was proposed to intensify the micro-mixing of reacting systems with multiple reactants, and it will be applied to prepare Ni-Co-O composites for supercapacitor electrodes by the co-precipitation of NiSO4/Co(NO3)2/NH4oH2O mixtures. By studying the reaction kinetics, the fluid dynamics, the micro-mixing and transfer behaviors of MM-MISR, the matching mechanisms between micro-mixing and reaction kinetics, etc., the reaction kinetics model and micro-mixing and transfer theories for this co-precipitation process in MM-MISR will be established, and the optimal reactor structures and reacting conditions will be obtained as well. It is believed that this work will improve the quality of the produced Ni-Co-O composites. It will also form a continuous, green and efficient preparation route for similar composites, which is of great significance for their research and applications.

高性能复合材料在国民经济中具有重要的作用，但制备时常用的搅拌釜反应器由于其内在的微观混合及传质效率较差，使得合成的复合材料质量不稳定、组分分布不均匀，且过程效率低、能耗高，因此急需能够强化微观混合过程的新制备技术。本申请提出构建多级/多通道微撞击流反应器（MM-MISR）强化多组分反应体系的微观混合过程，并将其应用于NiSO4/Co(NO3)2/氨水体系共沉淀反应制备Ni-Co-O超级电容器电极材料。通过研究该共沉淀反应的反应动力学、MM-MISR的流体力学特性和微观混合与传递基本规律、以及微观混合/传递强化与反应过程的协同机制等，建立MM-MISR中该反应体系的反应动力学方程和微观混合/传递模型，获得最优的反应器结构与工艺条件，进一步提高Ni-Co-O复合材料的性能，形成连续制备高性能复合材料并精确调控组分分布的高效、绿色新方法，为相关功能复合材料的可控制备提供理论指导和技术支撑。

高性能复合材料在国民经济中具有重要的作用，但制备时常用的搅拌釜反应器由于其内在的微观混合及传质效率较差，使得合成的复合材料质量不稳定、组分分布不均匀，且过程效率低、能耗高，因此急需能够强化微观混合过程的新制备技术。本项目全部利用商业部件成功构建了系列单级/二级微撞击流反应器（MISR）强化多组分反应体系的微观混合过程，并将其应用于NiSO4/Co(NO3)2/氨水体系共沉淀反应制备Ni-Co-O超级电容器电极材料。分别建立了该共沉淀反应的晶体生长动力学模型和热分解过程动力学模型。以Villermaux-Dushman快速平行竞争反应为模型体系，通过实验与模拟相结合，对构建的单级/二级微撞击流反应器分别进行了流体力学和微观混合性能研究，阐明了反应器结构与操作条件对该微观混合性能的影响规律，建立了微观混合时间tm与Re之间的模型关系。总体上，两种微撞击流反应器的微观混合性能明显优于传统的搅拌槽以及大尺度的撞击流等反应器，大致与微通道反应器相当；其微观混合时间范围为0.1~10.0 ms，微观混合性能受到流体流速、流体体积流速比以及反应器结构的显著影响。利用本研究构建的单级/二级两种新型微撞击流反应器，系统考察了反应工艺条件与反应器结构对制备的Ni-Co-O复合材料结构与性能的影响规律，最优条件下二级MISR合成的Ni-Co-O复合材料比电容值最高可达到2730 F/g，优于单级MISR最佳条件下制备的Ni-Co-O复合材料比电容（2060 F/g），合成的复合材料的元素分布也更为均匀，并显著优于搅拌反应器合成的复合材料；另外，还制备了CuO/ZnO/Al2O3多元催化剂，获得了同样的强化效果。研究结果证明了微撞击流反应器在合成多组分超细复合材料时的优越性能，有望形成连续制备高性能复合材料并精确调控组分分布的高效、绿色新方法，为相关功能复合材料的可控制备提供理论指导和技术支撑。