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固态无机材料化学中的现代微波方法:从基础到制造
Chemical Reviews ( IF 51.4 ) Pub Date : 2013-11-21 00:00:00 , DOI: 10.1021/cr4002353
Helen J. Kitchen 1 , Simon R. Vallance 1, 2 , Jennifer L. Kennedy 1, 3 , Nuria Tapia-Ruiz 1 , Lucia Carassiti 1 , Andrew Harrison 4 , A. Gavin Whittaker 5 , Timothy D. Drysdale 3 , Samuel W. Kingman 2 , Duncan H. Gregory 1
Affiliation  

海伦·厨房(Helen Kitchen)获得了她的化学博士学位。她于2009年获得牛津大学赫特福德学院的博士学位。她目前正在攻读博士学位。在格拉斯哥大学(Duncan H. Gregory)的指导下。她目前的研究专注于原位粉末中子衍射技术的开发,用于固态微波合成(尤其是过渡金属碳化物的合成)的时间分辨研究。西蒙·瓦朗斯(Simon Vallance)于2007年毕业,获得博士学位。在诺丁汉大学获得邓肯·格雷戈里教授和山姆·金曼教授的博士学位。他的研究专注于微波合成过渡金属碳化物。除了反应机理的研究,碳化物材料的表征和力学测试之外,这还涉及微波反应器的开发和新颖的实验设计。自毕业以来,他曾在Hawkins&Associates担任火灾和爆炸物调查员。詹妮弗·肯尼迪(Jennifer Kennedy)毕业于格拉斯哥大学,获得理学硕士学位。她于2011年获得化学(荣誉)学位。她留在格拉斯哥大学,目前正在该大学攻读跨学科博士学位。在Timothy D. Drysdale博士和Duncan H. Gregory教授的指导下获得电气工程与化学博士学位。她的研究兴趣集中在开发耐火陶瓷的高能效微波合成以及建立结构与属性之间的关系上。Nuria Tapia-Ruiz拥有巴塞罗那大学理学学士学位,毕业于巴塞罗那大学。她于2009年获得无机化学(荣誉)学位。然后,她移居格拉斯哥大学,目前正在攻读博士学位。在Duncan H. Gregory教授的指导下获得材料化学博士学位。她的研究兴趣集中在开发合成氮化物的新途径以及将其用作能量存储和转换材料。这项工作包括使用微波技术制备氮化物。Lucia Carassiti于2007年毕业于罗马的Sapienza大学,获得材料化学硕士学位。随后,她移居格拉斯哥大学,并获得博士学位。在Duncan H. Gregory教授的指导下于2012年获得博士学位。她的研究涉及碳化硅的微波合成及其表征。自毕业以来,她一直在Jaguar Land Rover担任底盘工程师。安德鲁·哈里森(Andrew Harrison)是格勒诺布尔(世界领先的中子科学中心)Laue-Langevin研究所(ILL)的主任。他从牛津大学获得化学学位(1982年)和博士学位(1986年),开始了他的科学职业生涯,随后在牛津,剑桥和加拿大麦克马斯特大学获得了研究奖学金,然后前往英国皇家学会进行了研究。 1992年加入爱丁堡大学,成为固体化学教授(1999年)。他的主要研究兴趣是模型磁性材料和微波化学,以中子散射为主要实验探针,因此于2006年移至ILL。加文·惠特克(Gavin Whittaker)就读于牛津大学,获得博士学位。1994年获得Mike Mingos教授的博士学位。他曾是爱丁堡大学的博士后研究员和物理化学讲师,直到2006年。此后,他成立了Tan Delta Microwaves,作为一家微波咨询和设备销售公司,并创立了Miramodus,以生产化学结构模型。他的兴趣涵盖了微波与固态材料的基本相互作用,现在包括微波加热的工业应用。Timothy D. Drysdale拥有博士学位。新西兰坎特伯雷大学电子与电气工程学士学位(2003年)。他于2004年获得了爱丁堡皇家学会和苏格兰行政个人研究奖学金,并在格拉斯哥大学任教,并于2006年被任命为讲师。他曾在电磁建模,太赫兹技术和数字领域发表论文。成像并拥有微波处理专利。他曾在2006年英国皇家学会夏季科学展览会上展出,并在2012年英国科学节上发表了Isambard Kingdom Brunel奖演讲。山姆·金曼(Sam Kingman)获得博士学位。1999年获得伯明翰大学化学工程学士学位。2000年,他移居诺丁汉大学担任讲师。2006年,他被任命为诺丁汉的私人主席,这使他成为英国最年轻的教授之一。他是国家工业微波处理中心(NCIMP)的主任,该中心是世界上同类活动中规模最大的活动之一。该中心致力于发展对微波能量与材料相互作用的基本理解,并以此为基础扩大工艺规模。Duncan H. Gregory就读于南安普敦大学,获得博士学位。1993年在Mark Weller教授的带领下获得博士学位。直到2006年,他一直是诺丁汉大学的EPSRC高级研究员,讲师和材料化学读者。随后,他担任了格拉斯哥大学的无机材料WestCHEM主席,并且是无机化学负责人。他的研究兴趣包括功能材料,结构材料和能源材料,重点是无机固体的可持续合成和加工。图1.(a)常规加热和(b)微波加热的温度曲线差异。该图像显示了通过试管的切片,显示了在(a)水浴和(b)CEM Discover MW系统中加热60 s后的温度梯度。(24)版权所有2003。在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献(24)转载。图2. CEM Discover单模MW反应堆。(38)在Springer Science和Business Media的允许下,从参考文献38转载。图3. CEM MARS多模兆瓦反应堆。版权所有2003。在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图4. Milestone Flowsynth连续流MW反应器。(42)在参考文献42的许可下转载。版权所有2008 American Chemical Society。图5. MIP反应器示意图。虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 CEM发现单模MW反应堆。(38)在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图3. CEM MARS多模兆瓦反应堆。版权所有2003。在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图4. Milestone Flowsynth连续流MW反应器。(42)在参考文献42的许可下转载。版权所有2008 American Chemical Society。图5. MIP反应器示意图。虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 CEM发现单模兆瓦反应堆。(38)在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图3. CEM MARS多模兆瓦反应堆。版权所有2003。经Springer Science和Business Media的许可,由参考文献38转载。图4. Milestone Flowsynth连续流MW反应器。(42)在参考文献42的许可下转载。版权所有2008 American Chemical Society。图5. MIP反应器示意图。虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 版权所有2003。在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图4. Milestone Flowsynth连续流MW反应器。(42)在参考文献42的许可下转载。版权所有2008 American Chemical Society。图5. MIP反应器示意图。虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 版权所有2003。在获得Springer Science和Business Media的许可后,从参考文献38转载。图4. Milestone Flowsynth连续流MW反应器。(42)在参考文献42的许可下转载。版权所有2008 American Chemical Society。图5. MIP反应器示意图。虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性 虚线框中显示的设备部分可以隔离开来,以便对空气敏感的产品和前体进行处理。(46)在参考文献46的许可下转载。版权所有2004 AIP Publishing LLC。图6.常规TiO的MW吸收特性2(在空气中)和还原的TiO 2– x(在N 2中)(59)未经参考59许可转载。版权所有2004,美国陶瓷学会。改编自参考文献70。2010年,英国皇家化学学会版权所有。图7.(a)在680和780°C下使用混合MW加热烧结的“亚微米”氧化锌和(b)在780和900°C下烧结的“微米”氧化锌混合剂的最终密度曲线。(76)经许可转载摘自参考文献76。2006年,美国陶瓷学会版权所有。图8. MW和由MW辅助的合成钙钛矿镧的合成路线示意图。(78)未经参考78许可转载。版权所有2011 Elsevier。图9.在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)存在下合成的CdSe多脚架的代表性TEM图像。(93)经参考文献93许可转载。版权所有2009 Elsevier。图10。2 Te 3。(102)未经参考102许可转载。版权所有2011工程技术学院。图11.与计算的模式相比,使用不同的样品量选择MW反应制备AgInSe 2所获得的PXD模式。将所有三个样品研磨20分钟,然后以三个1分钟的间隔照射。由于AgIn 5 Se 8的存在,星号标记衍射峰。(103)经ref 103许可转载。版权所有2007 Elsevier。图12. WC–Co。(154)烧结中使用的SMC示意图。在参考文献154的许可下转载。版权所有1997 Springer Science和Business Media。图13.连续进行MW陶瓷烧结的设备,该陶瓷最长1 m长,直径10 cm。(154)经参考154许可转载。版权所有1997 Springer Science and Business Media。图14.(a)在3 kW SMC中,W + C反应的损耗角正切和反应温度与反应时间的关系;(b)3 kW SMC中W + C反应的损耗角正切值和WC相分数与反应时间的关系(趋势线仅作为参考)。(151)经参考151许可转载。版权所有2012 The Royal化学学会。图15。(a)在SMC反应器中通过3 kW辐照20 s合成的SiC的PXD图和(b)SEM显微照片。(129)在参考129的允许下转载。版权所有2011皇家化学学会。图16.在MMC中由Si + C制备的SiC的SEM显微照片:(a)纳米颗粒簇和(b)纳米纤维。(129)经参考129许可转载。版权所有2011皇家化学学会。图17. Yang等人使用的反应设置。(161)在参考文献161的允许下转载。版权所有2008 IOP Publishing。图18. Jokisaari等人(158)使用的MACS系统示意图,经参考158许可转载自。版权所有2005 Elsevier。图19.在(a)10,(b)60和(c)120分钟的氮等离子体暴露时间下获得的典型GaN反应产物。(183)经参考183许可转载。版权所有2008 Elsevier。图20.图19c。(183)中所示的形成的GaN材料的SEM图。在获得参考文献183的许可下转载。版权所有2008 Elsevier。图21.反应期间通过DMO门获取的热图像7.反应区(橙红色光)用箭头标记,反应瓶的轮廓以白色添加。红色,橙色和黄色区域表示反应容器中最热的区域,而绿色和蓝色区域表示较凉的区域。(187)在参考文献187的允许下转载。版权所有2006皇家化学学会。图22. MW-CRAC反应器示意图。(138)经参考138许可转载。版权所有2009 Elsevier。图23.用于现场实验室PXD的MW喷头:(a)附着在衍射仪上的施药器,以及(b)施药器的示意图。(201)在参考文献201的允许下转载。版权所有2002皇家化学学会。图24.在(a)MW加热条件下,AgI在整个β-α相变过程中的衍射峰演化,T c = 380±10 K,并且(b)常规加热,T c= 412±2 K.(201)经参考201许可转载。版权所有2002皇家化学会。图25.(a)130°C下90分钟的硅沸石形成的SAXS模式,以及(b)三个反应温度:88、117和130°C时硅沸石粒度随时间变化的曲线图。(202)经许可转载参考编号202。版权所有2006 AIP Publishing LLC。图26. MW合成SIZ-4的EDXRD数据的3D图显示了最终产物的直接形成,具有极好的结晶度。(204)经参考204许可转载。版权所有2009美国化学学会。图27.原位同步加速器PXD数据显示了导致形成单相ψ-(Al-Cu-Fe)准晶体[上三角β-Fe(Al);向下三角形θ-Al系2的Cu; 钻石ω-Al系72铁 (205)转载自参考文献205。版权所有2008材料研究学会图28.在ISIS的LOQ仪器上用于原位SANS的MW反应堆的照片和示意图。(207)引用207的许可。版权所有2001 AIP Publishing LLC。图29.在ISIS设施的SXD中子衍射仪上进行原位单晶衍射的样品排列和MW施加器的示意图(左)以及样品的钒板之间的电场(右)。(208)经参考208许可转载。版权所有2003,皇家化学学会。图30.设计用于ISIS设施在HRPD进行原位粉末中子衍射的MW装置的示意图。(208)将样品和热电偶安装在谐振微波腔中,连接到微波源,该微波源的输出受到控制以保持设定的温度。经参考208许可转载。版权所有2003,皇家化学学会。图31.阿司匹林的结构,显示了在不同温度和不同热源下的ADP:(i)传统加热方式为100 K,(ii)MW加热方式为100 K,(iii)传统加热方式为300K。(208)重印并获得编号208的许可。皇家化学学会2003年版权所有。图32.在D2B仪器ILL上使用MW和替代热源进行的现场PND研究的实验装置示意图。(210)经参考书目210许可转载。版权所有2005 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA。图33.硅沸石的MW合成过程中获得的原位拉曼光谱,其中反应温度保持在115°C。(202)经ref 202许可转载。版权所有2006 AIP Publishing LLC。图34. MW加热下EUROPT-1催化剂上CO氧化的时间分辨IR光谱。(227)经参考227许可转载。版权所有2006皇家化学学会。快速,均匀的能量传递,定量和选择性加热,环境兼容性,增加的生产量,快速的开关操作,节省空间的紧凑型设备,使用时提高清洁环境的安全性以及产品的独特特性。确保均匀的电场分布,优化的反应堆设计,其中要考虑穿透深度,反应堆内温度和压力的控制,反应堆和备件的成本以及安全问题和MW泄漏。图35。由Abramovitch等人(233)使用的用于处理被有毒金属离子污染的土壤的MW装置,在参考文献233的允许下转载。版权所有2003 Elsevier。图36. Terigar等人(243)描述的实验室规模(上)和中试规模(下)连续MW辅助萃取系统的示意图,在参考文献243的许可下转载。版权所有2011 Elsevier。图37.(a)SMC实验的仪器示意图,如Al-Harahsheh等人所述。(b)沿SMC的水平和垂直轴截取的功率密度图。(244)经参考244许可转载自。版权所有2006 Elsevier。图38.电磁模拟显示空腔宽度对MW施加器内功率密度分布的影响。(245)经参考245许可转载。版权所有2010 Elsevier。图39.用于连续处理受污染的钻屑的中试规模设备的示意图。(245)经参考245许可转载。版权所有2010 Elsevier。图40.中试规模的5 kW MW无菌食品加工系统的示意图。(248)经参考248许可转载。版权所有2008 Elsevier。图41.在5 kW MW系统中处理胡萝卜泥时,涂抹器不同区域的温度曲线。(248)经参考248许可转载。版权所有2008 Elsevier。图42. Kumar等人(248)使用的MW(60 kW)连续流系统,在参考文献248的许可下转载。版权所有2008 Elsevier。取自出口处涂药器管的中心和壁之间。取自出口处涂药器管的中心和壁之间。作者宣称没有竞争性的经济利益。DHG感谢STFC为HJK提供的学生奖学金,ScotCHEM为NTR提供的学生奖学金以及格拉斯哥大学/ GRPE大学的LC提供的学生奖学金。DHG和SWK感谢诺丁汉大学为SRVDHG提供的学生奖学金,而TDD感谢格拉斯哥大学为JLK提供的学生奖学金。本文引用了260种其他出版物。



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更新日期:2013-11-21
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