为了增强和改善循环载体颗粒(铜基氧载体和钙基CO2吸收剂)的机械性能和抗烧结性能，一般需要通过一定的方法制成活性成分分散负载在惰性载体上的颗粒物，这里需要从两个角度来考虑这种颗粒物的设计，一个是从材料的化学稳定性和机械强度来选择合适的惰性载体，另一个是从活性成分与惰性载体的配比、分布状况和相互作用来改善颗粒的微组织结构。

火焰合成的纯金红石相TiO2纳米颗粒(nm-TiO2)与常用的微米级负载材料Al2O3颗粒(μm-Al2O3)在等电点(IEP)上具有很大的差异，在溶液pH值从3.5到9的范围内，μm-Al2O3带正电，nm-TiO2带负电，如果将两者混合分散在水溶液中，两种颗粒由于静电吸引而发生异相凝聚，形成nm-TiO2对μm-Al2O3的包覆结构。

μm-Al2O3和nm-TiO2的双组份分散系统存在三种形式的颗粒相互作用：Al2O3-Al2O3 (A-A)、Al2O3-TiO2 (A-T)和TiO2-TiO2 (T-T)。A-A、T-T具有同种电性的相互排斥势能，如果能够抵抗范德瓦尔斯吸引势能，那么同种颗粒之间就能够达到稳定的分散状态；而A-T具有相互吸引的电势能，和范德瓦尔斯的吸引势能共同作用，能够促进不同种颗粒的凝聚(异相凝聚)，形成良好的包覆状态。颗粒的电势能与溶液pH值密切相关，为了得到最佳包覆状态，调整溶液pH值使静电斥力增大抑制同种颗粒的凝并。根据经典的胶体双电层DLVO理论分析，在pH=6时A-A和T-T都能够达到相互排斥的状态，而且A-T的相互吸引最强，于是pH=6被选为最优的溶液参数。通过透射电镜(TEM)观察，在pH=6的条件下，Al2O3颗粒被TiO2均匀地包裹，形成核-壳结构。

自组装合成工艺流程示意图

自组装合成的CuO/TiO2-Al2O3氧载体颗粒截面样品和负载骨架在场发射扫描电子显微镜(FESEM)下观察，并对颗粒截面进行了电子能谱能谱扫描(EDS)。样品的组分和元素在颗粒内呈现分层的均匀分布，活性成分CuO富集在颗粒的最外层，Al₂O₃是内部的核，TiO₂包覆于Al₂O₃表面阻止CuO和Al₂O₃的接触反应。高倍的显微图像表明新鲜和使用过的氧载体颗粒内部保持丰富且相当均匀的多孔结构。负载骨架显示了Al₂O₃-TiO₂的核壳结构的表面是nm-TiO₂形成的海绵状框架，形成复杂的内联孔隙，活性成分CuO填充于这些空隙中被分散成细微的晶粒。这种特殊的结构确保了氧载体具备优良的反应性，满意的机械性能和抗烧结性能。

CuO/TiO2-Al2O3氧载体样品在热重上进行15次连续的释氧/吸氧循环，温度为900 °C，释氧气氛为N₂，吸氧气氛为21vol%的O₂(平衡气为N₂)，流量均为120 mL/min (STP) ，实验得到非常稳定的化学链氧解耦(CLOU) 循环性能。

CaO/TiO₂-Al₂O₃作为CO2吸收剂与纯的CaO样品以及CaO/Al₂O₃样品相比，在碳酸化/煅烧循环实验中表现出较高的CO₂捕获容量和反应稳定性。

相关文献：

1. Zuwei Xu, Hanqing Zhao, Haibo Zhao. CFD-population balance Monte Carlo simulation and numerical optimization for flame synthesis of TiO2 nanoparticles, Proceedings of the Combustion Institute, 2017, 36: 1099-1108.
2. Zuwei Xu, Haibo Zhao, Yijie Wei, Chuguang Zheng. Self-assembly template combustion synthesis of a core-shell CuO@TiO₂-Al₂O₃ hierarchical structure as an oxygen carrier for the chemical-looping processes. Combustion and Flame, 2015, 162(8): 3030-3045.
3. Weiwei Peng, Zuwei Xu, Cong Luo, Haibo Zhao. Tailor-Made Core–Shell CaO/TiO2-Al2O3 Architecture as a High-Capacity and Long-Life CO₂ Sorbent. Environmental Science & Technology, 2015, 49(13): 8237-8245.
4. Weiwei Peng, Zuwei Xu, Haibo Zhao. Batch fluidized bed test of SATS-derived CaO/TiO₂–Al₂O₃ sorbent for calcium looping. Fuel, 2016, 170: 226-234.