CN107473264B - 一种高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法：首先用载气将纳米级的偏钛酸粉体输送至等离子体反应装置内，其中等离子体反应装置包括高温等离子发生系统和粉体冷凝收集系统，偏钛酸粉体在1秒内通过高温等离子发生系统的高温等离子火焰区域，然后进入粉体冷凝收集系统，经过冷凝沉降，最终获得颗粒尺寸为纳米的亚氧化钛粉体；该方法制备过程简单易行，耗时少，效率高，具有较广阔的应用前景。

Description

一种高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法
技术领域
本发明涉及一种高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，属于粉体材料制备领域。
背景技术
亚氧化钛是一种重要的钛氧化物材料，其分子式为TinO2n-1，n为大于零的整数，Magneli相亚氧化钛是亚氧化钛材料中的一种。亚氧化钛化合物都具有较高的导电率，同时化学稳定性极高，在可见光区或是紫外光区都具有较好的光吸收能力，这使其一方面可以成为优异的电化学应用的电极材料及电化学催化剂载体材料，另一方面也是种非常有前途的提高光吸收性能和光电化学性能的材料。
大量研究表明亚氧化钛纳米颗粒在光照室温条件下能够分解气态甲醛，氢化处理形成的氧空位决定了其氧空位的形成，Ti3+的存在能够有效缩短锂离子扩散路径，可用于锂离子正极电池材料，有效改善了锂离子电池材料的高倍率性能、提高了比容量。研究发现，通过500-700℃氢化处理正极材料Li4Ti5O12 纳米线1.5h、引入Ti3+后，正极材料Li4Ti5O12在C/5 条件下具有173mAh•g-1 的高容量，30℃条件下仍具有121mAh•g-1的优秀的倍率性能和稳定性。许多研究结果显示，掺入TiO2-x 的锂离子电池正极材料在100℃条件下具有127mAh•g-1 的超高比容量，且25℃下100 次循环后仍具有86%的容量。研究者发现氢化处理后的介孔TiO2 微球显示出高于介孔TiO2 一倍的倍率性能。
同理，氧空位增加、电导率提高，使得TiO2-x 在超级电容电极、燃料电池正极材料以及场致发射领域表现出具有良好的应用前景，同时，亚氧化钛具有高介电常数比TiO2 具有更好的微波吸收能力。目前制备亚氧化钛粉体主要是二氧化钛还原法，使用氢气、炭黑、活泼金属和一氧化碳等还原剂，在真空或惰性气体气氛下加热到一定温度并保温一定时间还原二氧化钛制备所需粉末样品，但是这些工艺均要使用还原剂且耗时过长，生产效率较低。
CN 106241861A公开了一种制备棒状亚氧化钛的方法。其方法是原料为Ti与O的化合物粉体、还原剂及氯盐，按照各亚氧化钛粉体的化学式及所用原料之间的化学反应，计算出制备各亚氧化钛粉体原料的摩尔比。然后进行配料，混料，干燥，烧结，洗涤与干燥最终获得棒状亚氧化钛。其方法可以获得的较纯的单相亚氧化钛，但是光还原时间需要2-8小时，且工艺流程长。
CN 104925857A亚氧化钛粉体的旋转式动态连续制备方法，所述工艺步骤如下：（1）配料，原料为Ti与O的化合物粉体和还原剂；（2）混料与干燥；（3）烧结，在开放体系或封闭体系或负压下，在炉管处于出料口低于进料口的倾斜状态和旋转状态下加热炉管，当炉管内的温度达到反应温度时，将步骤（2）得到的混合粉料连续送入炉管中，混合粉料进入炉管后以螺旋运动的形式通过炉管加热区完成反应形成反应产物落入收集室。这种方法能制备出单相或纯度高于70%亚氧化钛粉体，但是制备时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，该方法可在极短的时间内由纳米级偏钛酸制备得到亚氧化钛粉体，流程简单、效率高。
本发明的技术方案如下：首先利用载气将纳米级的偏钛酸粉体输送至等离子体反应装置内，等离子体反应装置包括高温等离子发生系统和粉体冷凝收集系统，偏钛酸粉体在1秒内通过高温等离子发生系统的高温等离子火焰区域，然后进入粉体冷凝收集系统，经过冷凝沉降，最终获得颗粒尺寸为纳米的亚氧化钛粉体。
本发明高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法具体操作步骤如下：
（1）用载气将纳米级的偏钛酸粉体输送至等离子体反应装置内，其中等离子体反应装置包括高温等离子发生系统和粉体冷凝收集系统，其中偏钛酸粉体为锐钛型或金红石型，其中载气为氩气、氢气或氩气和氢气的混合气体，流速为3L/min-6L/min，载气中氢气和氩气的比例不同，可获得不同类型的亚氧化钛粉体TinO2n-1，其中 2≤n≤9，且n为整数；
（2）偏钛酸粉体在1秒内通过高温等离子发生系统的高温等离子火焰区域，然后进入粉体冷凝收集系统，经过冷凝沉降，最终获得颗粒尺寸为纳米的亚氧化钛粉体，其中等离子激发气体为氩气或氦气。
所述高温等离子发生系统包括高温等离子火焰区域周围的内衬，内衬为碳质材料时，可获得碳包覆的纳米亚氧化钛粉体。
与现有纳米亚氧化钛制备方法和技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明以纳米偏钛酸为原料，利用高温等离子体能够在数秒内制备出纳米亚氧化钛。
（2）本发明通过调节载气中氩气和氢气的比例能够制备出蓝色至黑色的纳米亚氧化钛粉体，与传统的制备过程相比，快速、流程短、过程可控。
附图说明
图1为不同载气条件下获得的样品实物图与物相图谱；
图2为实施例2所得样品的扫描显微镜照片；
图3为实施例3制得的碳包覆的纳米亚氧化钛的透射电子显微镜照片；
具体实施方式
通过以下实施例进一步说明本发明，但应注意本发明的范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：本高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，具体操作如下：
使用氩气为载气，流速为3.12L/min，将15g纳米级的金红石型偏钛酸粉体输送至等离子体反应装置内，并打开氩气激发气源激发高温等离子体，偏钛酸粉体在1秒内通过等离子体高温火焰区域后，在气流的带动下进入粉体冷凝收集系统，快速得到亚氧化钛粉体，其粒径为50~100nm，使用同样的方法，将载气换为不同比例的氩气和氢气，得到颜色不同的亚氧化钛粉体，样品颜色和对应的物相如图1所示，随着载气中氢气含量的增加，其TinO2n-1的n值越小，颜色越趋于黑色。
实施例2：本高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，具体操作如下：
使用氢气和氩气体积流量比为1:1、流速为6L/min的载气将20g锐钛型纳米级偏钛酸输送至等离子体反应装置内，并打开氩气激发气源激发高温等离子体，偏钛酸粉体在1秒内通过等离子体高温火焰区域后，在气流的带动下进入粉体冷凝收集系统，快速得到深蓝色的球形Ti4O7粉体，其粒径为50~100nm，其形貌如图2所示。
实施例3：本高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，具体操作如下：
以石墨管作为高温等离子发生系统内的高温等离子火焰区域周围的内衬，使用体积流量比为1:2的氢气和氩气的混合气体为载气，流速为4L/min将20g金红石型纳米级偏钛酸输送至等离子体反应装置内，并打开氦气激发气源激发高温等离子体，偏钛酸粉体在1秒内通过等离子体高温火焰区域后，在气流的带动下进入粉体冷凝收集系统，快速得到碳包覆的球形Ti4O7粉体，其粒径为50~80nm，其形貌如图3所示。

Claims (6)

1.一种高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）用载气将纳米级的偏钛酸粉体输送至等离子体反应装置内，其中等离子体反应装置包括高温等离子发生系统和粉体冷凝收集系统，载气为氩气、氢气或氩气和氢气的混合气体，流速为3L/min-6L/min，载气中氢气和氩气的比例不同，可获得不同类型的亚氧化钛粉体TinO2n-1，其中 2≤n≤9，且n为整数；
（2）偏钛酸粉体在1秒内通过高温等离子发生系统的高温等离子火焰区域，然后进入粉体冷凝收集系统，经过冷凝沉降，最终获得颗粒尺寸为纳米的亚氧化钛粉体。
2.根据权利要求1所述的高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于：步骤（1）中的偏钛酸粉体为锐钛型或金红石型。
3.根据权利要求1所述的高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于：等离子体反应装置的等离子激发气体为惰性气体。
4.根据权利要求3所述的高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于：惰性气体为氩气或氦气。
5.根据权利要求1所述的高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于：获得的亚氧化钛粉体TinO2n-1，颜色为蓝色至黑色，且n值越小，越趋近黑色，形状为球形。
6.根据权利要求1所述的高温等离子体制备纳米亚氧化钛的方法，其特征在于：高温等离子发生系统包括高温等离子火焰区域周围的内衬，当内衬为碳质材料时，可获得碳包覆的纳米亚氧化钛粉体。
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