CN106044849B - 采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺 - Google Patents

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Abstract

采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，包括以下步骤：将块体高纯金属置入熔炉中，熔融后，将与熔炉连接的导液管加热；将反应室抽真空至2～10MPa，充入冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至10～2000A，电压5～400V；向金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，进行气化反应，形成金属射流；金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，冷风负压下冷凝，随冷风气流进入到收粉室，即得到纳米金属氧化物粉。本发明工艺简单、不需要等离子体源、产率高，所制备的纳米金属氧化物粉不易团聚、纯度高，易实现规模化生产。

Description

采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的制备工艺，具体的说是一种用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺。
背景技术
专利公开号为CN1381304、名称为“直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的装置和方法”的中国发明专利，申请、公开了利用等离子体热源直接将氧化物原料进行物理气化沉积制备微纳米Sb2O3、SiO2等粉体。专利公开号为CN102515233、名称为“一种利用热等离子体制备氧化铝的方法及其产品”的中国发明专利，申请、公开了利用热等离子体源对铝粉进行气化反应制备微纳米氧化铝粉体。这两种方法均利用外加等离子体热源的方式,对物料进行气化，然后经过沉积，制备成微纳米氧化物粉体，其缺点是所制备的粉体粒径分布比较宽，大至微米级，小至纳米级，而且产率低。
纳米In2O3属于体心立方铁锰矿结构，是一种宽禁带半导体材料（Eg=3.7eV），以本体或掺杂体的形式被广泛应用于平板显示器，太阳能电池，功能性玻璃等。纳米SnO2是一种n型半导体材料，具有金红石晶体结构，优良的阻燃导电性、稳定的化学性能、高光催化活性、良好的耐候性、耐腐蚀性，被广泛应用于光电材料领域。已知的，纳米SnO2以及纳米In2O3的制备方法主要为化学湿法，包括共沉淀法、微乳液法、溶胶凝胶法以及水热合成法等。化学湿法制备纳米In2O3以及纳米SnO2的主要缺点是制备工艺复杂，所制备的纳米颗粒容易团聚，需要二次提纯，环境污染严重。
发明内容
本发明目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，该工艺具有简单、不需要等离子体源、产率高，所制备的纳米金属氧化物颗粒具有不易团聚、纯度高等特点，而且很容易实现规模化生产。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是： 一种采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，包括以下步骤：
步骤一、将块体高纯金属置入熔炉中，在300～600℃下熔融，保温至块体高纯金属完全熔化，使得到金属熔体；对与熔炉连接的导液管进行电磁加热，将导液管加热至400～650℃，维持该温度；
步骤二、将反应室抽真空至2～10MPa，充入10～20℃的冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；
步骤三、开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至10～2000A，电压5～400V；
步骤四、向步骤一熔炉内的金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，通入反应器中，进行气化反应，形成金属射流；
步骤五、金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，在冷风负压的作用下冷凝，随冷风气流进入到收粉室当中，即得到纳米金属氧化物粉。
所述惰性气体优选为氩气、氦气或氖气。
所述高纯金属有限为锡或铟。
步骤一中所述保温至块体高纯金属完全熔化，保温时间优选为1h。
作为本发明的优选技术方案，本发明采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，应用于制备纳米SnO2或纳米In2O3中。
有益效果是：
1、本发明工艺简单，制造成本低、产率高；与其它的等离子体法制备纳米氧化物粉体相比，本发明不需要外加等离子体源。与湿法制粉相比，该工艺不需要对制备的粉体进行提纯、热处理等后续处理。所用原料为块体锭，而不是粉体或者前驱体，降低了制造成本。本发明所制备的纳米SnO2以及纳米In2O3产率可达15kg/h，可规模化生产。
2、本发明所制备的纳米金属粉，结晶完整、分散性好、形貌均匀、纯度高；其中所制备的纳米SnO2和纳米In2O3纳米SnO2以及纳米In2O3高度氧化，结晶非常完整，粉体的粒度范围在10～50nm,颗粒分散性较好，形貌均匀，纯度高；本发明所用原料为4N以上的高纯金属锭，制备过程中，引入的杂质非常少，不需要后续的提纯工艺，所制备的粉体纯度在99.99%以上。
3、本发明通过对金属导液管进行电磁加热，确保等离子气化反应的连续性、稳定性；通过阳极原料自耗，直接对原料进行气化，可使反应器中的蒸气在短时间达到饱和；通过对反应器夹层中充入冷却水，对反应器外壁进行循环水急冷，可使整个反应器内部形成较大的温度梯度，利于结晶，抑制晶粒长大。反应室抽真空至2～10MPa，有利于纳米颗粒的收集和冷却；反应室中10～20℃的冷却空气有利于使反应器维持稳定的温度差。
附图说明
图1是实施例1中纳米SnO2粒子的透射电镜照片；
图2是实施例1中纳米SnO2粒子的XRD图谱；
图3是施例2中纳米In2O3粒子的透射电镜照片；
图4是实施例2中纳米In2O3粒子的XRD图谱。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种直流等离子体法制备纳米SnO2粉末的方法，步骤如下：
取块体的金属锡锭（纯度﹥99.99%），投入到熔化炉当中，加热熔化至600℃，并保温1h。连接导液管，并对导液管进行电磁加热，加热至650℃，并进行保温。
将反应室抽真空至10-2MPa，充入10～20℃的冷却空气，并向反应器夹层中通入冷却水。开启电弧等离子气化系统电源，调节反应器气化电流至10～2000A,电压5～400V。向熔锡炉中通入氩气，形成稳定的熔体射流，开始气化反应。锡液在反应中高温等离子体的作用下气化与空气中的O2发生反应，形成原子团簇，并聚集成SnO2纳米粒子，随冷风沉降至收集室中。
实施例1合成的纳米SnO2粒子的透射电镜照片如图1所示，所制备的纳米SnO2结晶完整、形貌均匀。
实施例1合成的纳米SnO2粒子的XRD图谱如图2所示，显示所制备的纳米SnO2为单相态。
实施例2
一种直流等离子体法制备纳米In2O3粉末的方法，步骤如下：
取块体的金属铟锭（纯度﹥99.99%），投入到熔化炉当中，加热熔化至300℃，并保温1h。连接导液管，并对导液管进行电磁加热，加热至400℃，并进行保温。
将反应室抽真空至10-2MPa，充入10～20℃的冷却空气，并向反应器夹层中通入冷却水。开启电弧等离子气化系统电源，调节反应器气化电流至10～2000A,电压5～400V。向熔铟炉中通入氩气，形成稳定的熔体射流，开始气化反应。铟液在反应中高温等离子体的作用下气化与空气中的O2发生反应，形成原子团簇，并聚集成In2O3纳米粒子，随冷风沉降至收集室中。
实施例2合成的纳米In2O3粒子的透射电镜照片如图3所示，所制备的纳米In2O3结晶完整、形貌均匀。
实施例2合成的纳米In2O3粒子的XRD图谱如图4所示，显示所制备的纳米In2O3为单相态。
实施例3
采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，包括以下步骤：
步骤一、将块体高纯金属铟置入熔炉中，在600℃下熔融，保温1h，使得到金属熔体；对与熔炉连接的导液管进行电磁加热，将导液管加热至650℃，维持该温度；
步骤二、将反应室抽真空至10MPa，充入20℃的冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；
步骤三、开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至2000A，电压400V；
步骤四、向步骤一熔炉内的金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，通入反应器中，进行气化反应，形成金属射流；
步骤五、金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，在冷风负压的作用下冷凝，随冷风气流进入到收粉室当中，即得到纳米In2O3粉。
实施例4
采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，包括以下步骤：
步骤一、将块体高纯金属锡置入熔炉中，在500℃下熔融，保温至块体高纯金属完全熔化，使得到金属熔体；对与熔炉连接的导液管进行电磁加热，将导液管加热至550℃，维持该温度；
步骤二、将反应室抽真空至8MPa，充入15℃的冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；
步骤三、开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至1000A，电压200V；
步骤四、向步骤一熔炉内的金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，通入反应器中，进行气化反应，形成金属射流；
步骤五、金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，在冷风负压的作用下冷凝，随冷风气流进入到收粉室当中，即得到纳米SnO2粉。
实施例5
采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，包括以下步骤：
步骤一、将块体高纯金属锡置入熔炉中，在300℃下熔融，保温至块体高纯金属完全熔化，使得到金属熔体；对与熔炉连接的导液管进行电磁加热，将导液管加热至400℃，维持该温度；
步骤二、将反应室抽真空至2MPa，充入10℃的冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；
步骤三、开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至10A，电压5V；
步骤四、向步骤一熔炉内的金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，通入反应器中，进行气化反应，形成金属射流；
步骤五、金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，在冷风负压的作用下冷凝，随冷风气流进入到收粉室当中，即得到纳米SnO2粉。

Claims (3)

1.采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将块体高纯金属置入熔炉中，在300～600℃下熔融，保温至块体高纯金属完全熔化，使得到金属熔体；对与熔炉连接的导液管进行电磁加热，将导液管加热至400～650℃，维持该温度；所述块体高纯金属为4N以上的高纯金属锭；
步骤二、将反应室抽真空至10-2MPa，充入10～20℃的冷却空气，并向置于反应室内的反应器夹层中通入冷却水；
步骤三、开启反应器的电弧等离子气化系统电源，调节气化电流至10～2000A，电压5～400V；
步骤四、向步骤一熔炉内的金属熔体中通入惰性气体，以导液管引流，通入反应器中，进行气化反应，形成金属射流；
步骤五、金属射流在电弧等离子体的作用下被气化形成原子团簇，与氧气反应形成纳米氧化物颗粒，在冷风负压的作用下冷凝，随冷风气流进入到收粉室，即得到纳米金属氧化物粉；
所述金属为锡或铟。
2.如权利要求1所述采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，其特征在于：所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
3.如权利要求1所述采用直流等离子体法制备纳米金属氧化物粉的工艺，其特征在于：步骤一中所述保温至块体高纯金属完全熔化，保温时间1h。
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