CN105339299B - 用于生产纳米级碳的胶体溶液的方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法的技术效果为简易性、低成本和生产不同类型的纳米颗粒的可能性。该效果由于如下进行用于生产纳米级碳的胶体溶液的方法而实现：将有机液体送至含有电极的室中，将惰性气体注入电极间空隙中，高温等离子体通道在气泡中形成，从而使乙醇分子原子化，随后快速冷却。

Description

用于生产纳米级碳的胶体溶液的方法

技术领域

所提供的用于生产稳定的纳米级碳的胶体溶液的方法涉及纳米技术领域。

背景技术

从科学和应用的观点(独特的电学、磁学、化学、机械、荧光性质、催化活性等)来看，纳米结构化材料的制备和研究受到很大关注。

基本兴趣点涉及主题物质的结构特征以及物理和化学特征(大量的游离碳键、致密结构)。

纳米流体的性质(例如热导率、密度、粘度、电导率、光学和磁学性质)的研究受到很大关注。

纳米颗粒的独特性质是以下多种应用研究领域的基础：

·先进材料技术，药理学；

·场致电子发射的唯一来源；

·最微型电子设备的金属和半导体特征；

·主题物质的表面结构允许将其用作液体和气体(例如氢)的容器。

近来，涉及生产用于降低金属和电介质的二次发射的系数的纳米结构化碳的薄膜、生长金刚石膜和玻璃、制备稳定的胶体溶液(太阳能的吸附剂)的工作引起极大关注(Robert Taylor,Sylvain Coulombe,Todd Otanicar,Patrick Phelan,Andrey Gunawan4,Wei Lv4,Gary Rosengarten,Ravi Prasher and Himanshu Tyagi.Small particles,bigimpacts:A review of the diverse applications of nanofluids).J.Appl.Phys.113,011301(2013)。

形成纳米颗粒有各种方法(物理、化学、组合方法等)：

·电弧，

·重复脉冲的电弧和火花，

·液体和气体的激光消融，

·化学反应产物的沉积，

·在金属催化剂存在下的热解，

·导体的电爆炸，

·复合粉末在燃烧中的催化转化，等。

然而，大多数所述方法耗时、昂贵并且复杂，通常，它们要求有用产物与杂质分离。碳纳米结构是集聚碳的亚稳态，它们仅可在偏离热力学平衡的情况下获得。因此，对许多最近的研究引起很大关注，在所述研究中，液体中的脉冲放电用于合成碳、金属和各种组合物的纳米颗粒。由于高温放电通道中的有机乙醇分子原子化及其随后的快速冷却(“淬灭”)，短脉冲的放电有助于形成碳的亚稳相。

由于以下许多特征，所述方法被认为是有前景的：

·装置和进料物质的简易性和低成本；

·规模化该合成反应的可能性；

·获得不同类型的纳米颗粒的可能性；

·液体周围等离子体限制了其膨胀且提高了温度和压力，这有利于放热化学反应。

液体中的脉冲放电可以以两种方式实现。在一种情况中，脉冲能量应≥1kJ，而在第二种情况中，其不超过数焦耳。第一种情况需要相当笨重且复杂的装置，反应器经受相当大的冲击荷载。而且，因此获得微米至纳米级的颗粒，并且通过使用不同技术分离它们需要额外的努力。石墨电极是像水这样的液体中的碳源。当使用有机液体时，它成为碳源。

在有机液体(特别是乙醇)中的碳纳米颗粒合成的研究结果记载于以下文章中：(Journal of Physics D:Applied Physics,43(32).P.323001.Mariotti,D andSankaran,RM(2010)Microplasmas for nanomaterials synthesis)。

最接近本发明方法的是在以下文章中所述的方法(Pulsed dischargeproduction of nano-and microparticles in ethanol and their characterization.Parkansky N.,Alterkop B.,Boxman RL,Goldsmith S.,Barkay Z.,Lereah Y.PowerTechnology.2005.T.150.No.1.pp 36-41)，其中使用在乙醇中的脉冲电弧放电。两个电极放置于乙醇(石墨、镍、钨等)中，脉冲重复频率为f＝100Hz，电流和电压分别为I＝100-200A，U＝20V，脉冲持续时间为τ＝30μs，从而形成微米至纳米级的颗粒。

该方法的缺点是胶体溶液的不稳定性(很快沉淀)，宽范围的颗粒大小，以及在乙醇中相当复杂的电击穿步骤。

发明内容

本发明的技术效果是简易性和低成本，获得不同类型的纳米颗粒的可能性。此外，应注意本发明技术方案的下列优点：

·利用在电极间空隙中注入惰性气体的多电极高压脉冲放电能够在乙醇中形成稳定的纳米结构化胶体溶液。存在比能量沉积(J/cm³)的某一阈值，高于所述比能量沉积时胶体溶液变得稳定且溶液的性质在超过一年内不改变。

·在较低的比能量沉积时，沉淀和液体澄清在2～3天内发生。

·如果将溶液加热至接近沸点，然后冷却，则胶体性质不改变。

·当电流通过胶体溶液(电泳)时，沉淀和液体澄清发生。同时，在正极处形成纳米结构化碳膜。

·纳米颗粒尺寸取决于比能量沉积。接近阈值比能量沉积时，该尺寸为5nm至10nm，且它们具有无序碳的形式。

·可通过蒸发，或利用电泳而将纳米粉末从胶体溶液中分离。

通过如下进行用于生产纳米级碳的胶体溶液的方法来实现技术效果：将有机液体送至含有电极的室中，将惰性气体注入电极间空隙，高温等离子体通道在气泡中形成，从而使乙醇分子原子化，随后快速冷却。

如果超过液体中比能量沉积的阈值，则形成稳定的胶体溶液。

乙醇可用作有机液体。

附图说明

附图显示用于获得胶体溶液的设备。

具体实施方式

用于生产稳定的纳米级碳的胶体溶液的本发明的方法基于实施在注入有机液体(乙醇)中的惰性气体的气泡中的脉冲高压放电。如上所述，在乙醇中的脉冲放电的特征为高温通道中的乙醇分子原子化，随后快速冷却。利用注入电极间空隙的气体的高压多电极放电设备的使用(由于等离子体通道的特殊构成及其冷却)带来了生产纳米结构、碳纳米流体的新的可能性。

它们使用介电室1，多电极放电设备2(气体注入多电极放电设备中的电极间空隙中)在放置乙醇3(其部分填充介电室)的介电室的内部。介电室1设置有用于气体注入的设备、用于填充和冲洗有机液体(乙醇)的系统。放电设备连接至高压脉冲发生器4。该设备包括脉冲发生器4、罗氏线圈(Rogowski coil)5、分压器6、摄谱仪7、光波导8、用于冲洗液体的管道9、排气管10。

所述设备如下操作。

将惰性气体通过管道11注入放电设备2中。使用管道10将其从反应器中除去。之后，反应器1用液体部分填充以完全覆盖放电设备2。将具有设定值(U≤20kV)和脉冲重复频率(f≤100Hz)的高电压供应至放电设备的端电极。如果以连续模式操作反应器，则管道9提供必要的液体流速。脉冲放电在填充有酒精蒸汽的气泡12中出现。高温等离子体通道在每一个电极间空隙中形成，其持续数微秒且具有下列参数：较重颗粒的温度为T＝4,000～5,000K，电子温度为Te＝1～1.5eV，带电颗粒的浓度n＝(2～3)·10¹⁷cm³，等离子体通道的直径为几百微米。单脉冲能量沉淀为≤1.6J。

乙醇分子的原子化发生在等离子体通道中。由于随后的快速冷却("淬灭")，形成了非平衡态碳纳米结构，从而确定胶体溶液的特征、性质。放电通道冷却的典型时间为数微秒、几十微秒。等离子体通道的加热和冷却的动力学显著地影响纳米颗粒的参数。

经处理的液体中的比能量沉积对于生产胶体溶液是必不可少的。在缺少连续流模式的情况下，比能量沉积γ如下确定：

W为单脉冲能量沉积，f为脉冲的重复频率，V为液体体积，t为液体处理的时间。

在连续流模式的情况下：

U为流速/时间单位(cm³/s)。随着液体处理的时间(比能量沉积)增加，由于形成碳纳米颗粒致使液体变暗，并且当超过比能量沉积的某一阈值时，形成稳定的胶体溶液(其在超过一年内不沉淀)。在比能量沉积的较低值时，碳在1～2天内沉淀于容器的底部，液体变得澄清。

纳米颗粒的参数通过不同方法来研究：RS(拉曼散射)、DLS(动态光散射)、X射线衍射、电子显微镜、元素配方等。

我们注意到，当将胶体溶液被加热至接近沸点的温度并随后冷却时，溶液保持稳定。比能量沉积的阈值取决于电极材料。

通过蒸发胶体溶液而获得的纳米颗粒粉末的元素配方如下：C 79.05％；O19.57％，其它所检测到的元素为Si；K；Ti；Cr；Fe。氧由于其从空气中的吸收而出现。

工艺实用性

这些结果可用于不同应用，具体地，用于生产涂敷金属以降低二次电子发射的系数的碳膜，用于生长金刚石膜和玻璃的技术，用于生产吸收太阳辐射的元件等。

Claims (2)

1.一种用于生产纳米级碳的胶体溶液的方法，其特征在于，将乙醇送至含有电极的室中，将惰性气体注入电极间空隙中，高温等离子体通道在用酒精蒸汽填充的气泡中的每一个电极间空隙中形成，从而使乙醇分子原子化，随后由于等离子通道的快速膨胀而快速冷却，其中，所述方法基于实施多电极高压脉冲放电，并且其中，放电通道中的温度为T＝4,000～5,000K，所述快速冷却的时间为几十微秒。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述液体中的比能量沉积超过阈值时，形成稳定的胶体溶液，其中所述比能量沉积γ如下确定：

W为单脉冲能量沉积，f为脉冲的重复频率，V为液体体积，t为液体处理的时间。