喷雾测试仪

成果名称 质谱多通道旋转电喷雾离子源的研制和测试 单位名称 北京大学 联系人 马靖 联系邮箱 mj@labpku.com 成果成熟度 □研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 成果简介： 质谱离子源是质谱分析中将样品分子转化成气相离子的关键装置，是所有类型质谱仪不可或缺的组成部分。发展新型的质谱离子源将有望改变质谱分析的方式和速度、对待测样品性质和状态的要求和它所能够应用的领域，为推动相关学科的发展奠定基础。 该项目开发了一种质谱多通道旋转电喷雾离子源，与传统电喷雾离子源（ESI）不同的是该离子源通过旋转多个喷针使喷出的电喷雾均匀混合，得到的混合电喷雾与单个喷针产生的电喷雾相比覆盖面大且均匀，可以提高质谱检测信号的强度和稳定性。在研制过程中，课题组的主要工作包括：（1）使多个电喷针同时在旋转的情况下产生电喷雾，并使转速和溶液的流速可以调节；（2）将注射泵的动力传递给旋转的液路系统；（3）降低高速旋转时喷针的振动及偏离；（4）将电喷雾电压有效施加在高速旋转的电喷针上。通过以上工作，项目研制工作顺利完成，相关成果已申请国家专利。 应用前景： 该装置的研制将为我校和其它科研机构的质谱分析工作提供全新的多通道旋转电喷雾离子源，应用前景广阔。

浙江好创“封闭可调气氛电喷雾离子化源”通过鉴定 　　仪器信息网讯 2012年1月9日，受浙江好创生物技术有限公司(以下简称“浙江好创”)的委托，中国分析测试协会组织业内权威专家对该公司最新研发成功的“封闭可调气氛电喷雾离子化源”进行了技术成果鉴定。 　　此次技术成果鉴定会由中国分析测试协会汪正范研究员主持，大连化物所张玉奎院士担任此次鉴定委员会主任；担任此次鉴定会的专家还有：复旦大学杨芃原教授，国家标准委员会方向研究员，中国分析测试协会张渝英秘书长，浙江大学金钦汉教授、郑树教授、潘远江教授、张铭教授、李志能教授，大连依利特李彤总经理等业内资深专家。 大连化物所张玉奎院士担任此次鉴定委员会主任 　　“封闭可调气氛电喷雾离子化源”技术成果的研发者、浙江好创生物技术有限公司董事长朱一心先生介绍了技术成果研发过程、机理的解释、数学模拟以及整个离子源的设计思路。最后朱一心先生讲到，“封闭气氛可调电喷雾离子源”的研制成功将提升国内蛋白质组学的分析水平，让生命科学家们不用在分析实验中浪费时间和精力，有更多的时间去研究科学问题，在生命科学的研究领域取得更多更好的科研成果，提升我国在生命科学研究领域的研究水平。 　　 浙江好创董事长朱一心先生作“研制报告” 　　之后，来自大连化物所、复旦大学、浙江大学肿瘤研究所的用户分别对“封闭可调气氛电喷雾离子化源”的使用情况作了报告，各位用户对于该离子化源给出了中肯的评价，尤其是其稳定性、离子化效率以及信噪比都有优异的表现。 　　鉴定委员会认证听取了“封闭可调气氛电喷雾离子源研制报告”、“用户使用报告”、“国内外查新报告”以及专利申请情况等汇报，经过现场质疑和讨论后，专家组最后达成了如下鉴定意见： 　　1、在理论研究的基础上，研制出“封闭可调气氛电喷雾离子化源”， 经科技查新，该装置中首次采用“封闭可调气氛”、“康达效应离子传输管”和“康达效应离子发射针”三项技术，属原始创新； 　　2、与商品离子化源比较，“封闭可调气氛电喷雾离子化源”具有以下优势： 　　1)信噪比有明显提高，使检测限下降了2-6倍； 　　2)该离子化源使用方便，可即插即用； 　　3)该离子化源的离子化环境可调，可以添加辅助气体或辅助液体来提高灵敏度和信噪比，并消除大气环境对离子化源离子信号的干扰。 　　3、项目组提供的鉴定资料齐全，符合鉴定要求。 　　综上所述，“封闭可调气氛电喷雾离子化源”所具有的关键技术拥有自主知识产权，该离子化源的主要指标达到国际领先水平，建议注意加强知识产权保护并尽快实现产业化。 “封闭可调气氛电喷雾离子化源”技术成果鉴定会专家组合影 　　附：朱一心先生“封闭可调气氛电喷雾离子源研制报告”部分内容摘录 　　朱一心先生在报告中提到，蛋白质组学研究中最大的技术瓶颈之一就是现有的离子源对离子的利用效率极低。 　　自从80年代中期John B. Fenn 将电喷雾离子源应用于大分子质谱分析以来，科学家对于电喷雾离子源机理的解释还是停留在两个模式：离子蒸发(Ion Evaporation Model，IEM)与电荷残留(Charged Residue Model，CRM)，但是对于“为什么电喷雾离子源中存在多电荷离子”和“为什么电喷雾离子源存在离子抑制现象”至今没有合理解释。 　　朱一心先生通过对电喷雾离子源电离气氛进行控制，发现电喷雾离子源其实是一个“场致发射氢离子、极性分子在高电场中的极化和静电吸附”的组合现象。由此得出获得高性能电喷雾离子源的必要条件：稳定的泰勒锥和产生尽量多的氢离子。 不同的入口边界条件，离子源气流分布的流体力学理论模拟计算图之一 　　朱一心先生还对离子源气流分布的流体力学进行理论模拟计算，对不同的入口边界条件对流场、速度驻点的位置以及涡流的位置和形状影响进行了详细分析。模拟结果显示“控制入口流速是离子源设计的关键之一”。 　　浙江好创新型“封闭可调气氛电喷雾离子源”具有即插即用的特点，与传统离子源相比，无需进行喷针空间位置的调节即可获得稳定的电喷雾。 　　图为使用浙江好创生物的新型“封闭可调气氛ESI离子源”，以空气为背景时，100fmol BSA酶解肽段的基峰色谱图。样品信号强度在1x10E6到9x10E6间。在较低的喷雾电压如1.0kV下即可形成稳定的纳升级喷雾，质谱采集信号非常稳定。

《求是》杂志于 5 月 16 日发表习总书记重要文章《正确认识和把握我国发展重大理论和实践问题》。文章指出要正确认识和把握碳达峰碳中和，须知绿色低碳发展是一个复杂工程和长期任务；需要狠抓绿色低碳技术攻关，加快先进技术推广应用，深入推动能源革命，增加新能源消纳能力，加快建设能源强国。而锂离子作为新兴的储能物质，具备其能量密度高、安全性好、无记忆效应、循环寿命长等优点，被广泛应用于各种可穿戴电子设备和电动汽车等领域。近年来新能源汽车已成为全球锂电产业高速发展的主要动力。此外，电化学储能作为电网储能技术的重要组成部分，在削峰填谷、新能源并网和电力系统辅助服务等大政方针下扮演着愈发重要的角色。当前市场迫切需要开发出更高能量密度、更低成本、循环稳定性更好和可逆比容量更高且安全的锂离子电池，满足行业应用的同时实现社会绿色可持续发展。为方便大家了解关于锂离子材料的最新研究动态，我们给大家分享几篇相关综述和一些利用喷雾干燥技术开展的研究应用，供大家参考学习。代表综述1Particuology （2022）: Balancing particle properties for practical lithium-ion batteries作为最先进的二次电池，锂离子电池在索尼公司于 20 世纪 90 年代初推出以锂钴为负极材料电池后，一直占据着消费电子市场。锂离子电池高效运行的关键在于富锂离子的电解质与电极中活性材料颗粒之间的有效接触。电极材料的颗粒特性影响锂离子的扩散路径、扩散阻力、与活性材料的接触面积、电化学性能和电池的能量密度。为了使锂离子电池达到满意的综合性能，不仅要注重材料的改性，而且要平衡电极材料颗粒的性能。因此，本文将从三个方面分析颗粒特性对电池性能的影响：颗粒尺寸、颗粒分布和颗粒形状。深入了解粒子对电极和电池的作用和机理，将有助于开发和制造实用的锂电池。锂电池本质上是锂离子在两个电极之间反复循环 “流动”，锂离子会不断地被脱嵌和嵌入到正负极材料中，这是电极材料颗粒与电解液接触和反应的过程。因此，锂化和脱锂过程受电极材料颗粒特性的影响。由于电极中活性物质粒子的高比表面积，以及传输和化学转化中多层次结构的多样性，平衡粒子的性能成为实际 LIBs 技术突破的关键。颗粒的形态和尺寸影响锂离子的扩散路径、扩散阻力以及活性材料与电解质的接触面积，进而影响 LIBs 的电化学性能。较小的粒子通常具有较短的从粒子内部到表面的路径，而球形粒子可以提供较大的接触面积并提高电极中的活性物质含量。同时，颗粒大小分布对电极材料颗粒的堆积有直接影响，这种空间效应会影响锂离子的脱嵌，从而影响电池性能。下图作者使用八卦图的方式，展示平衡理念，非常形象的描述了离子颗粒特性的几个因素。更多内容请阅读原文献内容。2Materials （2018）: Spray-Drying of Electrode Materials for Lithium- and Sodium-Ion Batteries锂离子、钠离子及相关电池中电极材料的性能不仅取决于其化学成分，还取决于其微观结构。因此，合成方法的选择至关重要的。在各种各样的合成或成型路线中，报道了越来越多的组合方法，喷雾干燥作为一种多功能工具脱颖而出，提供了扩大到工业级别的潜力。在这篇文章中，概述了迅速增加的文献研究数量，包括溶液的喷雾干燥和悬浮液的喷雾干燥。并特别关注待喷雾干燥的溶液/悬浮液配方的化学方面；也考虑了喷雾干燥前驱体的后处理以及由此产生的颗粒形态。在表格中引用了 300 多种出版，其中条目根据最终化合物组成、起始材料、碳来源等列出。作者建议，关于电极材料的合成，应从早期阶段考虑将结果从克级的实验室规模转移到公斤级工业规模的可能性。这在电极材料研究中尤其重要，因为在从小批量到大批量或连续生产时，由于传热问题，微观结构通常是放大时受影响最大的特性之一。容易放大是喷雾干燥的优势之一，这是一种通用且强大的技术，其在食品和制药行业已成为经典的方法，最近已扩展到电极材料领域的研究。下图来源原文献中：喷雾干燥发表文献&喷雾干燥原理介绍喷雾干燥微观颗粒形态喷雾干燥流程示意图3Drying Technology （2017）: Laboratory spray drying of materials for batteries, lasers, and bioceramics喷雾干燥技术是一种适用于各种先进材料规模化生产的工艺。广泛应用于材料、化学、食品和制药工业领域。该方法具有连续性、可扩展性、成本低、易于产业化等特点。它提供了生成具有特殊结构的功能性粉末的能力，例如复合材料、核壳或封装颗粒等。最近的实验室规模研究集中在开发：用于下一代锂离子电池的纳米/微结构电极材料，具有增强的电池容量和优异的电化学性能透明材料的激光陶瓷生物陶瓷，如具有改善生物活性和治疗效果的骨替代物、牙科植入物和胶连剂本文综述了这些应用领域的研究进展，并强调了实验室规模的喷雾干燥在相应的先进材料加工路线中的重要性。BUCHI 经典实验室喷雾干燥仪 B-290 示意图不同电极材料合成路线（点击查看大图）相关研究应用介绍1Dalton Trans（2021）: Spray-dried assembly of 3D N,P-Co-doped graphene microspheres embedded with core-shell CoP/MoP@C nanoparticles for enhanced lithium-ion storage通讯作者：上海交通大学何雨石教授具有精确控制工程的过渡金属磷化物（TMP）材料的微/纳米结构调控的新型合成方法的发展对于实现其在电池中的实际应用至关重要。本研究采用喷雾干燥技术构建了三维（3D）N,P 共掺杂石墨烯（G-NP）微球，微球内嵌 CoP@C 和 MoP@C 两种核-壳型纳米粒子（CoP@C ⊂ G-NP, MoP@C ⊂ G-NP）。这种有意义的设计显示了微观结构 G-NP 和核壳 CoP@C/MoP@C 纳米粒子系统的化学性质之间的密切相关性，这有助于锂离子电池（LIBs）中的负极性能。所获得的结构具有通过共掺杂杂原子（N,P）制备的稳定的多孔 G-NP 骨架，该骨架具有三维导电高速通道，允许离子和电子快速通过并保持材料的整体结构完整性。内部碳壳可有效抑制体积变化并防止 CoP/MoP 纳米颗粒聚集，提供出色的机械稳定性。因此，CoP@C ⊂ G-NP 和 MoP@C ⊂ G-NP 复合材料在 0.1 A g-1 的电流密度下具有 823.6 和 602.9 mAh g-1 的高比容量；在 1 A g-1 下，500 次和 800 次循环后，比容量为 438 和 301mAh g-1，表现出及其出色的循环稳定性。下面为原文献截图：制备工艺示意图（点击查看大图）电化学性能测试（点击查看大图）2Adv. Energy Mater. （2018）: Spray-Dried Mesoporous Mixed Cu-Ni Oxide@Graphene Nanocomposite Microspheres for High Power and Durable Li-Ion Battery Anodes本研究开发了剥离石墨烯包裹的介孔氧化铜镍（CNO）纳米复合材料，采用快速喷雾干燥技术，通过石墨烯纳米片（GNSs）均匀包裹了分层介孔 CNO 纳米砌块，其协同效应有效地保护了电活性物质免受充放电过程引起的体积变化影响。由于脱落的石墨烯片的笼化效应产生的有趣结构和形态特征，这些 3D/2D CNO@GNS 纳米复合微球有望作为高性能锂离子电池的负极材料。它们表现出前所未有的电化学行为，如高可逆比容量（在低 0.1 mA g-1 下的初始放电容量超过 1700 mAh g-1； 在 1 和 5 mA g-1 下，800 次和 1300 次循环后，比容量为 850 和 730 mAh g-1；在超过 2000 次循环 10 mA g-1 的非常高的电流密度下，比容量仍高于 400 mAh g-1），出色的库伦效率和长期稳定性（超过 3000 次循环，容量保持率＞55%）。与通过传统技术制备的大多数过渡金属氧化物和纳米复合材料相比，其在高电流密度下是显著的。这种简单而创新的材料设计对开发用于锂离子电池或其他储能设备的先进转换材料具有启发意义。（点击查看大图）（点击查看大图）（点击查看大图）（点击查看大图）3ACS Appl. Mater. Interfaces （2020）: MXene Frameworks Promote the Growth and Stability of LiF-Rich Solid−Electrolyte Interphases on Silicon Nanoparticle Bundles通讯作者:上海交通大学何雨石教授，同济大学杨晓伟教授喷雾干燥技术制备高度稳定的纳米硅负极。硅基材料是下一代锂离子电池理想的负极材料；然而，在充放电过程中，硅的体积变化很大，导致电极断裂和固体不稳定−电解质界面（SEI）层，严重影响其稳定性和库仑效率。新兴的 2D MXene 由于其有趣的表面物理化学特性，在电催化领域得到了广泛的研究。本研究将硅纳米颗粒封装在坚固的微米级 MXene 框架中，其中 MXene 纳米片通过毛细管压缩力作用力下发生预褶皱，以有效缓冲体积变化，另外通过简单的热自交联反应在相邻纳米片之间形成了丰富的共价键（Ti−O−Ti）进一步保证了 MXene 框架相邻薄片的坚固性。这两个因素都稳定了电极结构。此外，在充放电循环时， MXene 纳米片上丰富的氟/F封端基团有助于在框架外原位形成高度紧凑、耐用且机械坚固的富含 LiF 的电解质界面（SEI）层，这不仅抑制了 Si 和有机电解质之间的副反应，还增强了 MXene 框架的结构稳定性。得益于这些优点，本研究所制备的阳极具有高达 1797 mA h/g 的高比容量，并且 500 次循环后，高容量保持率为 86.7%，平均库仑效率为 99.6%。可以说，这项工作为其它具有强烈体积效应的高容量电极材料提供了思路。（点击查看大图）（点击查看大图）（点击查看大图）4Ionics (2021) 27: Green and efficient synthesis of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cathode material with outstanding electrochemical performance by spray drying method通讯作者:天津工业大学时志强教授，宁波大学阮殿波教授电池制备工艺图（点击查看大图）5