Particle size affected many properties such as physical, magnetic, optical, electrical and catalytic property. The technology of controlling particle size is very important in particle production processing. In general spray pyrolysis, controlling particle size have the limitation due to reducing particle production rate dramatically and controlling the droplet size in droplet atomizer. Preparation of fine particles from gas phase also has the difficulty of controlling wide-range particle size.
To control of particle size without reducing particle production, flame spray pyrolysis using water-in-oil (w/o) emulsion precursor solutions was proposed. In this study, Y2O3 particles having various sizes were prepared by flame spray pyrolysis using emulsion. We found that by varying the emulsion droplet size, controlling particle size of the prepared Y2O3 powder can easily be accomplished varying from 30 to 700 nm due to the conversion of one emulsion droplet to one particle. To control emulsion droplet size, various conditions of amounts of emulsifier, emulsifier type, emulsification method were used. Control of particle size was achieved by varying the emulsion droplet size, which results in no decrease in the particle generation rate.
To observe the effect of particle size on photocatalytic activity, SrTiO3 photocalysts of various sizes (from 100 to 400 nm) were prepared by flame spray pyrolysis using w/o emulsion. The H2 evolution rates of prepared SrTiO3 photocalysts were measured in methanol solution of 20 vol.% under UV light from lamp of 15W. H2 evolution rate increases with decreasing particle size. To increase H2 evolution rate, NiO of 0.2wt% was loaded on SrTiO3 particles. After NiO-loading, the about 3 times better photocatalytic activity was obtained. Compared with the results of other researchers using APA(Apparent Photocatalytic Activity), APA of NiO-loaded SrTiO3 prepared by flame spray pyrolysis of emulsion is 62.58 μmol/ g.L.hr.W, which is the best value in compared data.
The surface coating of particle can get specific physical, optical, electronic, chemical, and biomedical properties or protect particle from undesirous reaction. So, many coating process have been proposed so far. However, in general coating processes, core particle preparation and the surface coating of the core particles progress in step by step. It is expensive and long-time process. The new one-step method for particle surface coating was proposed using flame spray pyrolysis with emulsion. When emulsion precursor solution was prepared, the precursor material for wanted coating layer was just added in oil phase.
In this study, SiO2-coated CeO2 particles were prepared in a single step by flame spray pyrolysis of an emulsion. The effects of flame temperature on the morphology of the synthesized coated particles were investigated. 3 types morphology were observed by TEM: core-shell (for a flame adiabatic temperature of 680 oC), nanoparticles on the surface of the core particle (for a flame adiabatic temperature of 970 oC), and a mixture of core CeO2 and SiO2 nanoparticles (for a flame adiabatic temperature of 1180 oC). The effects of amounts of silica loading on the surface property, dispersion degree, removal rate were also examined. The isoelectric points (IEP) of bare and silica coated ceria with various silica amounts were changed from 6.69 to below 3 from measurement of zeta potential. The silica loading amounts were more, the cover degree of ceria surfaces is better. It was confirmed that the SiO2-coated CeO2 slurry had better dispersion ability than the bare CeO2 suspension by carrying out viscosity measurements. For measuring removal rate, the SiO2 and SiN wafer coupons were polished with the bare and SiO2-coated CeO2 slurries dispersed in water. Although the removal rate of is best, the dispersion degree is most poor. After the silica coating, the decreasing amounts compared with bare ceria particles on the removal rate is small. The silica coating on ceria surface using flame spray pyrolysis of emulsion is very good method for the process cost saving and the improvement on the problem of worse dispersion degree in storage.
At cathode material in Li ion batteries, Li2CO3 formed on surfaces of the LiNiO2-based materials induced the evolution of the CO2 gas in the cell during cell operation and poor performances. To reduce the formation of Li2CO3 on surface of the LiNiO2-based material, the ZrO2-coated LiNi0.8Co0.2O2 particles were prepared by flame spray pyrolysis of emulsion. For the investigation of the effect of coating layer on the suppression of formation of Li2CO3 on the surface of LiNi0.8Co0.2O2 cathode material, bare and ZrO2-coated samples were stored in the air at room temperature for a month. After the exposure of bare and ZrO2-coated LiNi0.8Co0.2O2 particles in the air for a month, the degree of changes of I(104)/I(003) ratio in XRD data and the changes of surface morphology of particles were compared. It was confirmed ZrO2 coating inhibits the formation of Li2CO3 as decrease in down 60 % via analysis of TGA. The ZrO2-coating is very excellent solution for solving the problem of formation of Li2CO3 on surface of LiNiO2-based materials stored in air.
입자의 크기는 물리적, 자기적, 광학적, 전기적, 촉매적 등 많은 물성에 영향을 준다. 따라서 입자를 제조하는 공정에서 입자의 크기를 조절할 수 있는 기술은 매우 중요하다. 기존의 분무 열분해법에서는 입자의 농도나 액적의 크기를 조절함으로써 입자 크기를 조절할 수 있다. 하지만 실제적으로 여러 문제로 인해 액적 크기 조절로 입자크기 조절에는 어려움이 있어, 입자의 농도를 조절함으로써 입자 크기를 조절하였다. 하지만 입자의 크기는 농도 1/3승에 비례하기 때문에 입자의 크기를 줄이기 위해서는 입자의 생산속도가 많이 감소하여 실제로 사용하는데 제한이 많다.
본 연구에서는 분무 열분해법에서 입자 크기 조절에 한계를 가지는 문제점을 해결하고자 전구체 용액으로써 에멀젼 용액을 도입하여 화염 분무 열분해법에서 입자 크기의 조절이 쉬운 공정을 제안하였다. 입자의 크기와 액적의 크기는 비례하기 때문에, Water-in-oil (w/o) 에멀젼 내의 에멀젼 액적의 크기를 조절함으로써 최종 입자 크기를 조절할 수 있다. 에멀젼 액적의 크기는 에멀젼 제조 시 분산제의 양이나 종류, 물과 오일의 비, 에멀젼 제조방법 등을 조절하여 쉽게 조절 가능하다.
3장에서는 에멀젼 화염 분무 열분해법을 이용하여 30nm 에서 700nm까지 다양한 크기의Y2O3를 제조하였다. 입도측정기를 이용하여 에멀젼 전구체 용액 내의 에멀젼 액적의 크기를 측정한 후, 각 에멀젼 액적 크기에서 제조되는 입자의 크기를 계산하였고, 실제로 실험을 통해 제조된 입자 크기를 측정하여 서로 비교해 보았다. 그 결과 두 데이터가 오차범위 내에서 일치함을 확인하였다. 이를 통해 에멀젼 액적 하나에서 입자 하나가 제조되는 메커니즘을 따라서 입자가 제조됨을 알았다. 이 메커니즘을 통해 입자 생산속도의 감소 없이 입자의 크기를 쉽게 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.
4장에서는 에멀젼 화염 분무 열분해법을 통해 광촉매인 다양한 크기의 SrTiO3를 제조하였고 그 크기에 따라 광활성이 어떻게 달라지는지를 관찰하였다. 입자 크기가 커질수록 물분해를 통한 수소 제조되는 양은 줄었으며 이는 광촉매의 표면적이 줄어들기 때문이다.
전기적, 광학적, 물리적, 촉매적 특성 등을 높이기 위해, 또는 입자 표면의 원치 않는 반응을 억제하기 위해 입자의 표면을 코팅하는 연구가 많이 이루어졌으며 실제로도 많은 산업분야에서 표면이 코팅된 입자를 생산, 사용하고 있다. 기존의 공정에서는 입자 표면 코팅이 입자제조 단계와 입자 표면 코팅 단계로 이루어져 있다. 하지만 에멀젼 화염 분무 열분해법을 이용하면, 입자의 크기 조절뿐만 아니라 간단하게 한 단계로 표면이 코팅된 입자를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. w/o 에멀젼에서 물상에는 코어 입자의 전구체를 오일상에는 코팅할 물질의 전구체를 녹여 에멀젼 전구체 용액을 만든 후 불꽃에 흘려주게 되면 에멀젼 액적 내에서는 코어입자가 생성되고 오일상에 있던 코팅 물질의 전구체는 고온의 불꽃에서 기화되었다가 코어 입자 표면에 달라붙어 최종적으로는 표면이 코팅된 입자를 얻게 된다.
5장에서는 에멀젼 화염 분무 열분해법을 이용하여 실리카가 코팅된 세리아를 제조하였고 입자의 표면특성, 슬러리로 제조하였을 때 분산도나 연마특성에 대해 연구하였다. 불꽃 온도에 따라 코팅된 입자의 형상이 달라짐을 관찰하였다. 낮은 불꽃 온도(680 oC)에서는 입자 표면에 무정형 실리카가 layer 형태로 코팅되다가 불꽃 온도가 높아지면(970 oC) 실리카 작은 입자가 세리아 입자 표면에 달라붙는다. 최종적으로 높은 불꽃온도(1180 oC) 에서는 일부 세리아가 휘발되어 나노 세리아 입자와 나노 실리카 입자의 mixture가 발견되었다. 실리카 양을 0 ?? 10 wt%로 변화시켜 실리카가 코팅된 세리아를 제조하였다. 표면 특성을 보기 위해 zeta potential을 측정하였는데 IEP가 6.69에서 3이하로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 제조한 슬러리를 가지고 점도 측정과 조각 연마 테스트를 통해 실리카 코팅 양에 따라 입자의 분산도와 연마속도에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과 실리카 코팅 양이 많아질수록 분산도는 좋아졌으며, 연마속도는 작아지는 경향을 보였다.
6장에서는 에멀젼 화염 분무 열분해법을 통해 리튬이차전지 전극물질로 사용되는 지르코니아가 코팅된LiNi0.8Co0.2O2를 제조하였다. LiNi0.8Co0.2O2경우 높은 용량을 가지고 있고 코발트에 비해 가격이 저렴하여 많은 관심을 가지고 연구되는 물질이다. 하지만 LiNi0.8Co0.2O2경우 저장 시 입자 표면이 공기 중의 이산화탄소와 물과 반응하여 리튬 카보네이트가 생성되는 문제를 가지고 있다. 리튬 카보네이트가 존재하는 LiNi0.8Co0.2O2를 가지고 전지를 만든 후 충방전을 할 경우 리튬 카보네이트가 전해질과 반응하여 이산화탄소를 발생시켜 전지가 부풀고 전기적 특성이 떨어트리는 문제점을 가지고 있다. 따라서 LiNi0.8Co0.2O2표면에 리튬 카보네이트 생성을 줄이기 위해 지르코니아가 코팅된 LiNi0.8Co0.2O2를 제조하였고 공기 중에 한달 간 노출시킨 후 SEM, XRD TGA 등을 통해 변화를 관찰하였다. 지르코니아를 코팅한 후에는 약 60% 리튬 카보네이트 생성양이 줄어든 것을 확인하였다..
이로써 기존의 화염 분무 열분해법에서 전구체 용액으로 에멀젼을 도입함으로써 입자의 크기 조절을 쉽게 넓은 범위에서 가능하였고, 장치의 개선없이 간편하게 표면이 코팅된 입자의 제조가 가능함을 보였다.
