微型催化剂图案的微滴喷射制造技术研究

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微尺度催化燃烧因其体积小、起燃温度低、能量利用率高等优点,已引起人们的广泛的关注。相对于传统的宏观尺度燃烧,它可以方便精确地控制燃烧条件,如反应温度,因此,它可被用作MEMS器件的微型电源单元或新型的热电传感器。另外,催化燃烧过程中无NOx等污染物排放和燃气浓度要求低等优良的燃烧性能。但是在微型电源中,由于受器件结构的限制,催化剂层的分布和形状因具体结构而不同,所以催化剂层的可选择性、精确地沉积具有重要的意义。另一方面,铂等贵金属被广泛用作甲醇、乙烷等气体的低温催化燃烧的催化剂材料,这提高了催化燃烧的成本。目前,传统沉积方法制备图案化催化剂层比较困难,因此需要一种快速柔性的制备技术,不仅可以减少贵金属材料的消耗,而且可在各种基底上的可选择性沉积催化剂层。微滴喷射技术作为一种快速精密的沉积技术,可在各种基底上喷射微小液滴,精确直写制备微米级结构与器件。它具有材料利用率高、低成本、适于大规模生产。近年来,微滴喷射技术的应用范围已经从传统领域有了很大程度的拓展,在许多的应用领域中展现出了巨大的潜力,如有机场效应晶体管(OFETs),导电性的功能器件,聚合物发光二极管(PLED),射频识别(RFID)标签,和燃料电池等微。由于其本身的优越性能使得微滴喷射技术在制备低温催化燃烧器件中的催化剂图案具有极大的优势。本文围绕微滴喷射制备低温催化燃烧的催化剂图案展开论文研究,研究内容包括微滴喷射喷射过程的理论分析,数值模拟和实验研究液滴形成过程,微滴喷射制备了催化燃烧的催化剂图案,研究了微滴喷射催化剂的性能。研究内容如下:研究微滴喷射技术喷墨过程原理,并对微滴喷射液滴形成过程机理进行研究,对微滴喷射液体进行参数化研究,建立微滴喷射喷射过程的数学模型,模拟微滴喷射液滴形成过程,分析液滴形成过程中形态变化情况。然后通过实验探索不同喷射条件、墨水性质和基底处理对液滴形成的影响,通过实验观察微滴喷射液滴形成和液滴沉积过程中的物理现象,研究脉冲电压、脉宽、工作频率等对液滴形成和液滴大小和飞行速度的影响,分析了溶液添加剂、基底表面能和温度对液滴在基底上的沉积和扩展的影响,讨论了液滴点间距和打印方法对液滴直径和溶质分布的影响。最后,采用微滴喷射制备甲醇催化燃烧的催化剂点阵和图案,并通过红外热像显微镜进行催化效果表征,研究了不同催化剂还原方法、基底材料对催化性能的影响,探讨了通气量、基底温度等对室温催化燃烧的影响,讨论了催化剂尺寸对热量响应及分布的影响。证明可以利用微滴喷射的精确可控、非接触的优势,建立一种快速、低成本、数字驱动的催化燃烧催化剂的制备方法。制备图形化的催化剂,以实现甲醇气体在基底表面上的定点燃烧,得到离散的可控热源。
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