Pirolisi a spruzzo

La pirolisi a spruzzo è un processo in cui è depositata, spruzzando una soluzione precursore, una pellicola sottile su una superficie riscaldata dove avviene la reazione dei costituenti per formare i composti desiderati e utilizzata per preparare pellicole sottili e spesse, rivestimenti ceramici e polveri.

Nella pirolisi a spruzzo i reagenti chimici sono selezionati in modo tale che i prodotti diversi dal composto desiderato siano volatili alla temperatura di deposizione al fine di evitare sottoprodotti di reazione.

La pirolisi è stata utilizzata per trasformare il legno in carbone fin dall’antichità e consiste generalmente nel riscaldare il materiale al di sopra della sua temperatura di decomposizione, rompendo i legami chimici nelle sue molecole. Nell’antico Egitto si utilizzava la frazione liquida ottenuta dalla pirolisi del legno di cedro, nel loro processo di imbalsamazione.

La pirolisi a spruzzo fu sviluppata nel 1966 per la crescita di semplici film sottili nelle celle solari. Durante gli anni ’90 e 2000 la tecnica ottenne maggiore interesse e popolarità grazie alla ricerca e alla varietà di soluzioni precursori, materiali depositati e alla possibilità di far crescere strutture complesse con un grande controllo sia sulla composizione che sulla morfologia.

Attualmente la pirolisi a spruzzo è utilizzata in vari campi dell’ingegneria e delle scienze dei materiali e desta interesse nella produzione di un’ampia gamma di nanomateriali, metalli, semiconduttori e rivestimenti ceramici da diversi materiali precursori come composti organometallici e soluzioni con più specie metalliche.

Questa tecnica è una sintesi chimica a pressione atmosferica di materiali, in cui una soluzione precursore di composti chimici nel solvente appropriato è spruzzata e convertita in polveri o pellicole tramite un processo di pirolisi. I modi più comuni per generare l’aerosol per il processo di spruzzatura sono tramite sistemi pneumatici e ultrasonici. I parametri di sintesi sono solitamente ottimizzati per le caratteristiche ottiche, strutturali, elettriche e meccaniche dei materiali richieste.

Funzionamento della pirolisi a spruzzo

L’attrezzatura per la pirolisi a spruzzo consiste in un atomizzatore, una soluzione precursore, un riscaldatore del substrato e un regolatore di temperatura. L’atomizzatore è utilizzato per la formazione di un flusso del liquido che deve rivestire il substrato.

Nella pirolisi a spruzzo una soluzione precursore è atomizzata in una nebbia fine e poi spruzzata su una camera di reazione riscaldata o su un substrato. Dopo l’atomizzazione, le goccioline fini passano attraverso un ambiente riscaldato, dove il solvente evapora. I gas di trasporto come aria, azoto o ossigeno vengono utilizzati per trasportare le goccioline precursori atomizzate all’interno della camera di reazione.

Ogni goccia agisce come un microreattore e subisce diversi cambiamenti chimici e fisici tra cui evaporazione del solvente dalla superficie della goccia, precipitazione del soluto, decomposizione termica, formazione di particelle porose dell’architettura definita, formazione di particelle solide e sinterizzazione.

Dopo un ulteriore riscaldamento, le goccioline di precursore subiscono la pirolisi che produce particelle solide del materiale desiderato che si formano su un substrato o sul fondo di una camera di reazione. Queste particelle sono solitamente porose e reattive, quindi è eseguita la sinterizzazione per ridurre la porosità e migliorare la diffusione, la resistenza meccanica e le proprietà fisiche del materiale.

La temperatura di deposizione e la dimensione delle gocce sono i due parametri importanti per controllare la morfologia e lo spessore della superficie del film. Il riscaldatore del substrato è un blocco metallico, un bagno liquido con una termocoppia e un controller o lampade a infrarossi. Il meccanismo di generazione di aerosol determina la distribuzione delle dimensioni delle goccioline di aerosol e influenza anche le caratteristiche morfologiche del film che è prodotto dalla pirolisi a spruzzo.

La rugosità superficiale dei film può anche essere modificata modificando la temperatura del substrato. I film sintetizzati a basse temperature sono più ruvidi di quelli sintetizzati a temperature elevate del substrato. Questa tecnica è molto frequentemente utilizzata per la deposizione di film sottili di ossido metallico, solfuro di rame, zinco e stagno (CZTS) e calcogenuri.

Precursori e solventi

I precursori utilizzati nella pirolisi a spruzzo sono molteplici e dipendono dalla composizione del prodotto desiderato. I precursori tipicamente utilizzati sono sali metallici o organometallici, che si decompongono riscaldandosi per dare il prodotto.

I sottoprodotti di reazione indesiderati possono essere eliminati progettando la reazione in modo che solo il composto di interesse non sia volatile alla temperatura di decomposizione. Tra i precursori vi sono i nitrati metallici come, ad esempio, il nitrato di argento che presentano elevata solubilità e si decompongono formando ossidi.

Per temperature di decomposizione più basse si utilizzano i cloruri metallici come il cloruro di alluminio mentre gli alcossidi metallici sono utilizzati per i processi sol-gel

La compatibilità del precursore e del solvente, la solubilità, la concentrazione, ad esempio, hanno un impatto diretto sui materiali sintetizzati. Per i sali inorganici sono utilizzati come solventi acqua e alcol mentre per i composti organici è necessario scegliere opportuno un solvente organico. I tipi comuni di substrati includono vetro, wafer di silicio, lamine metalliche e ceramiche come allumina, zirconia e biossido di titanio.

Usi

La pirolisi a spruzzo offre un potenziale significativo per la progettazione razionale e la sintesi di vari materiali nanostrutturati funzionali con composizione e morfologia personalizzabili. La pirolisi a spruzzo è uno dei metodi più comuni, economici, semplici e piuttosto versatili utilizzati per sintetizzare materiali luminescenti di forma sub-micronica e sferica, ossidi multicomponenti,

clorosilicati, metalli, catalizzatori e nanopolveri.

Viene usata, in campo optoelettronico, nella fabbricazione di film sottili per schermi di visualizzazione, celle solari, diodi ad emissione luminosa, nei sensori e rilevamento di gas per il monitoraggio ambientale e diagnostica medica.

Film di biossido di titanio e biossido di silicio sono usati per migliorare la trasmissione della luce e nei rivestimenti ceramici per proteggere i substrati metallici dalla corrosione e dall’ossidazione. La pirolisi a spruzzo è utilizzata in campo biomedico per la creazione di rivestimenti biocompatibili per impianti e scaffold.

Film sottili di ossido di rame (II) sono usati quali elettrodi nei supercondensatori, mentre le polveri possono essere utilizzate in pigmenti con colori e proprietà specifiche. La pirolisi a spruzzo è una strategia altamente applicabile, facile ed efficace per sintetizzare diverse nanostrutture funzionali con dimensioni dei pori e chimica di superficie regolabili.

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