CN103101901B - 一种纳米材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在惰性气氛下加热有机气体使其进行高温裂解，并在高温裂解的过程中引入偏压以产生电弧，以使有机气体在电弧作用下进一步裂解；S2：将步骤S1裂解后的气体加速至预定的流速，并通入冷却液中快速冷却以形成纳米颗粒。与现有技术相比，本发明的纳米材料的制备方法通过高温和电弧使有机气体进行充分裂解反应后，将裂解反应后的气体高速通入冷却液体中，直接形成纳米颗粒，无需采用催化剂且步骤精简，从而不但能够实现纳米材料的低成本量化生产，而且能够大幅提高产品的纯度。

Description

一种纳米材料的制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种纳米材料的制备方法。

背景技术

纳米材料是指材料的特征尺寸在100纳米（nm）以下的材料。其中碳纳米材料包括碳纳米管、碳纳米角、富勒烯、碳洋葱球、石墨烯、不定型碳等等由单层或多层碳原子组成的纳米结构。微小的物理尺度赋予了纳米材料超越传统材料的许多优异性能和广泛的应用。然而由于制备方法的限制，碳纳米材料除了多壁碳纳米管等得到大量制备外，大多产量有限，大大限制了纳米材料的市场化应用。从富勒烯和碳纳米管被发现以来，碳纳米材料的制备方法一直以真空电弧法和化学气相沉积法为主，大多需要催化剂，制备出的纳米材料纯度不高，后期的提纯和催化剂的去除很难且增加成本，使用真空设备既复杂又进一步增加了设备本身的成本，化学气相沉积法的操作规程繁琐，生产效率低下。以上问题使碳纳米材料的制备和应用只能限于实验室，如何突破这一瓶颈一直是困扰科学界的难题。

发明内容

本发明提出一种纳米材料制备方法，解决现有制备方法存在的设备复杂、成本高，制备过程繁琐，制备出的纳米材料纯度不高、提纯难的问题。

本发明的技术问题通过以下技术手段予以解决：

一种纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在惰性气氛下加热有机气体使其进行高温裂解，并在高温裂解的过程中引入偏压以产生电弧，以使有机气体在电弧作用下进一步裂解；

S2：将步骤S1裂解后的气体加速至500-10000cc/min的流速，并通入冷却液中冷却以形成纳米颗粒。

优选地：

所述偏压的偏压大小在100~1000V范围内。

所述步骤S1中高温裂解的反应温度在500~1500℃范围内。

所述步骤S1在电阻炉中进行，所述电阻炉包括炉体、电阻丝和炉腔，还包括作为裂解反应的反应场所的螺旋管体、用于传输高压气体的高压气体传输管体和用于在所述螺旋管体上下两端产生偏压的偏压装置；所述螺旋管体和所述高压气体传输管体的输出口连接至同一输出管口，

所述步骤S1包括：

S1-1）预热步骤：开启所述电阻炉将螺旋管体的温度预热至反应温度；排气步骤：并向所述螺旋管体中通入惰性气体以排尽所述螺旋管体内的空气；

S1-2）将有机气体随所述惰性气体一同通入所述螺旋管体，使有机气体进行高温裂解，并在有机气体在所述螺旋管体内高温裂解的过程中开启所述偏压装置；

所述步骤S2包括：

向所述高压气体传输管体中通入高压气体，将所述输出管口连通至冷却液中，以利用所述高压气体将步骤S1裂解后的气体加速至预定的流速并一同通入冷却液中。

所述步骤S1-1）中，所述排气步骤在所述预热步骤完成之前执行。

所述步骤S1-1）的预热步骤中，所述电阻炉的加热速率范围为10℃/min~100℃/min之间，在电阻炉达到所述反应温度并保温0~60分钟后通入执行所述排气步骤。

所述步骤S1-1）的排气步骤中，惰性气体的通入流速范围为：10至1000sccm；

所述步骤S1-2）中，有机气体和惰性提起的通入流速范围均为：10至3000sccm。

所述高压气体为氮气或惰性气体。

所述冷却液为液氮或水。

所述高压气体的流速为：500-10000cc/min。

与现有技术相比，本发明的纳米材料的制备方法通过高温和电弧使有机气体进行充分裂解反应后，将裂解反应后的气体高速通入冷却液体中，直接形成纳米颗粒，无需采用催化剂且步骤精简，从而不但能够实现纳米材料的低成本量化生产，而且能够大幅提高产品的纯度；如图1所示，为采用本发明方法所制备的纳米材料的电镜图。

附图说明

图1是本发明具体实施例2的纳米材料制备设备的结构原理图。

图2是采用本发明的方法所制备的纳米材料的电镜图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

一种纳米材料的制备方法，包括下述步骤：

S1：在惰性气氛下加热乙炔至500℃，使乙炔高温裂解；并在高温裂解的过℃程，在反应空间两侧引入100V的偏压以激发惰性气体产生电弧，从而使的乙炔在电弧作用下进一步裂解，裂解成碳原子、碳离子、氢原子、氢离子等；

S2：将步骤S1裂解后的气体，加速至500cc/min的流速后，通入装有水的冷却池中，使裂解后的气体冷却，在高压气体和冷却液的双重作用下形成纳米颗粒，本实施例的纳米颗粒悬浮于冷却液中。

实施例2

一种纳米材料的制备方法，包括下述步骤：

S1：在惰性气氛下加热乙烯至800℃，使乙烯高温裂解；并在乙烯高温裂解的过程，在反应空间两侧引入550V的偏压以激发惰性气体产生电弧，从而使的乙烯能够在电弧作用下进一步裂解充分，裂解成碳原子、碳离子、C2基团、氢原子、氢离子等产物；

S2：将步骤S1裂解后的气体，加速至5000cc/min的流速后，通入装有液氮的冷却池中，使裂解后的气体迅速冷却，在高压气体和冷却液的双重作用下形成纳米颗粒，采用本实施例的方法制备的碳纳米颗粒沉积于冷却池底部。

实施例3

一种纳米材料的制备方法，包括下述步骤：

S1：在惰性气氛下加热甲烷至1500℃，使甲烷高温裂解；并在甲烷高温裂解的过程，在反应空间两侧引入1000V的偏压以激发惰性气体产生电弧，从而使的甲烷能够在电弧作用下进一步裂解充分，裂解成碳原子、碳离子、C2基团、C3基团、氢原子、氢离子等产物；

S2：将步骤S1裂解后的气体，加速至10000cc/min的流速后，通入装有液氮的冷却池中，使裂解后的气体迅速冷却，在高压气体和冷却液的双重作用下形成纳米颗粒，采用本实施例的方法制备的碳纳米颗粒沉积于冷却池底部。

实施例4

本实施例提供一种用于实施本发明方法的装置，及采用该装置制备纳米材料的具体方法，但本发明的方法并不限于采用该装置进行实施。

如图1所示，所述装置包括电阻炉和冷却装置。

电阻炉包括炉体101、电阻丝102和炉腔103，还包括作为裂解反应的反应场所的螺旋管体104、用于传输高压气体的高压气体传输管体105和用于在所述螺旋管体104上下两端产生偏压的偏压装置106。螺旋管体104和高压气体传输管体105主体部分均位于炉腔103内，螺旋管体104的输入口1041及高压气体传输管体105的输入口1051均位于炉腔103外，螺旋管体104的管口直径优选2-5cm，螺旋横截面积直径20-40cm，管体总长度优选介于3000至6000cm以保证反应气体在电阻炉内的停留时长，从而确保裂解充分，螺旋管体104的材料需采用耐高温材料，本实施例采用石英管；高压气体传输管105设置在螺旋管体104的上方，两者的输入口和输出口均位于电阻炉外，螺旋管体104和高压气体传输管体105的输出口连接至同一输出管口107；偏压装置106可延伸至整个螺旋管体104的两端以在整个螺旋管体104内产生偏压，但优选仅设置于螺旋管体104的后三分之二，如此可既不影响实际效果，而且还能够降低能耗；为满足裂解温度的需求，电阻炉的最高加热温度需达到500~1500℃的范围。

冷却装置包括冷却池201和输送管202，冷却池201用于装载冷却液203，输送管202的一端与输出管口107密封连通，另一端伸入冷却池201中。

实施例5

本实施例提供一种利用实施例4的装置制备纳米材料的方法，包括以下步骤：

S1、预热：设置电阻炉100的预热温度（即高温裂解所需的反应温度），加热速率，达到预热温度后保温时间，预热温度根据不同反应气体的实际需要在500-1500℃选择，加热速率宜在10~100℃/min选择，保温时间范围为30~90min，以使得螺旋管体充分受热； 

排气：当电阻炉100的温度达到预热温度开始保温的同时或保温时间的最后30分钟时，向螺旋石英管101通入惰性气体，以对螺旋石英管101进行排气，排气过程中控制惰性气体流速在10-1000sccm范围内，如果流速过慢（小于10sccm），会导致排气时间过长，而且可能导致空气不能完全排尽，而如果流速大于1000sccm则会导致惰性气体的浪费从而增加制造成本；而排气时间优选在保温时间的最后30分钟时开始执行，一方面可节约惰性气体，另一方面也能够保证气体有一定的受热时间。

S2、加热：完成步骤S1后，将有机气体引入螺旋石英管101内，控制其流速为10~3000sccm；引入有机气体的过程中始终保持惰性气体的流通，流速为10~3000sccm，同时也保持电阻炉的温度为反应温度不变；有机气体在螺旋管体内受热，开始裂解。其中，除了甲烷，所用的有机气体还可以是乙烯、乙炔或其他有机气体。

S3、引入偏压：当有机气体引入后流至螺旋石英管的中间部分时，开启偏压装置，在电阻炉100的后三分之二段、螺旋石英管101的上下两端引入偏压（如图1所示），偏压值在100~1000V范围内根据实际需要选择。在高温和偏压产生的电弧的共同作用下，有机气体甲烷进一步裂解，裂解产物包括碳原子、碳离子等，裂解产物在裂解气氛中随惰性气体输出炉腔。

引入高压气体：在引入偏压并激发出电弧时，将高压气体氮气导入高压气体传输管，使其被加热；在输出管口107，受热后的高压氮气与裂解气氛和惰性气体同时进入冷却池200。为避免高压气体的浪费，反应气体和高压气体导入冷却池的时间节点需尽量同步，在反应气体流速确定后，这一过程可通过控制高压气体的起始导入时间和流速实现，由于螺旋管体的长度远远大于高压气体传输管体的长度，因此，高压气体的导入起始导入时间需在有机气体导入之后。高压氮气也可采用惰性气体替换。

S4、冷却：利用高压气体快速带动裂解气氛和惰性气体进入用液氮作冷却液的冷却池，形成纳米颗粒并在冷却池200底部聚集形成沉淀物。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在惰性气氛下加热有机气体使其进行高温裂解，并在高温裂解的过程中引入偏压以产生电弧，以使有机气体在电弧作用下进一步裂解；

S2：将步骤S1裂解后的气体加速至500-10000cc/min的流速，并通入冷却液中冷却以形成纳米颗粒；

其中：

所述步骤S1在电阻炉中进行，所述电阻炉包括炉体、电阻丝和炉腔，还包括作为裂解反应的反应场所的螺旋管体、用于传输高压气体的高压气体传输管体和用于在所述螺旋管体上下两端产生偏压的偏压装置；所述螺旋管体和所述高压气体传输管体的输出口连接至同一输出管口，

所述步骤S1包括：

S1-1）预热步骤：开启所述电阻炉将螺旋管体的温度预热至反应温度；排气步骤：并向所述螺旋管体中通入惰性气体以排尽所述螺旋管体内的空气；

S1-2）将有机气体随所述惰性气体一同通入所述螺旋管体，使有机气体进行高温裂解，并在有机气体在所述螺旋管体内高温裂解的过程中开启所述偏压装置；

所述步骤S2包括：

向所述高压气体传输管体中通入高压气体，将所述输出管口连通至冷却液中，以利用所述高压气体将步骤S1裂解后的气体加速至预定的流速并一同通入冷却液中。

2.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述偏压的偏压大小在100～1000V范围内。

3.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：

所述步骤S1中高温裂解的反应温度在500～1500℃范围内。

4.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1-1）中，所述排气步骤在所述预热步骤完成之前执行。

5.根据权利要求4所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1-1）的预热步骤中，所述电阻炉的加热速率范围为10℃/min～100℃/min之间，在电阻炉达到所述反应温度并保温0～60分钟后通入执行所述排气步骤。

6.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：

所述步骤S1-1）的排气步骤中，惰性气体的通入流速范围为：10至1000sccm；

所述步骤S1-2）中，有机气体和惰性提起的通入流速范围均为：10至3000sccm。

7.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述高压气体为氮气或惰性气体。

8.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述冷却液为液氮或水。

9.根据权利要求1所述的纳米材料的制备方法，其特征在于：所述高压气体的流速为：500-10000cc/min。