CN110451481B - 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法 - Google Patents

一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110451481B
CN110451481B CN201910739601.7A CN201910739601A CN110451481B CN 110451481 B CN110451481 B CN 110451481B CN 201910739601 A CN201910739601 A CN 201910739601A CN 110451481 B CN110451481 B CN 110451481B
Authority
CN
China
Prior art keywords
plasma
gas
carbon powder
reactor
nano carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910739601.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110451481A (zh
Inventor
马懿星
陈鹏
薛宇
宁平
王学谦
王郎郎
钟磊
宁致远
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kunming University of Science and Technology
Original Assignee
Kunming University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kunming University of Science and Technology filed Critical Kunming University of Science and Technology
Priority to CN201910739601.7A priority Critical patent/CN110451481B/zh
Publication of CN110451481A publication Critical patent/CN110451481A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110451481B publication Critical patent/CN110451481B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials

Abstract

本发明公开了一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法，该方法中采用负电晕放电方式产生等离子体，将HCN、C2H2等含碳的小分子气体通入等离子体反应器中进行反应，利用等离子体产生的高能电子与HCN、C2H2发生反应，将HCN、C2H2等含碳的小分子气体最终转化生成碳粉；等离子体反应器处理后气体排空，在等离子体反应器上收集纳米碳粉；本方法制得的纳米碳粉粒径分布均匀、性能稳定，工艺设备简单、成本低，操作便宜，适合于工业生产。

Description

一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法
技术领域
本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法。
背景技术
纳米材料是指颗粒尺寸为纳米量级（0.1nm～100nm）的超微粒子（纳米微粒）及由其聚集而成的纳米固体材料，其处于原子簇和宏观物质交界的过渡区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。由于纳米粒子具有壳层结构，粒子的表面原子占很大比例，并且是无序的类气状结构，而在粒子内部则存在有序-无序结构，这与体相样品的完全长程有序结构不同。当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为100～10000个，其中有50%左右为界面原子，纳米尺度空间所涉及的物理层次，是既非宏观又非微观的相对独立的中间领域，被人称之为介观研究领域。它是在纳米空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对某物质进行研究，掌握其原子和分子的运动规律和特性的新的高技术科学，同时也是现代科学(分子生物学、混沌物理、量子力学、介观物理)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数使其产生了小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等性质，在光学、热学、磁学、力学等方面均显示出许多奇异的特性。科学工作者运用多种手段和方法对其性能进行了广泛的研究，取得了一系列重大成果。
纳米碳材料的合成和应用有着300多年的悠久历史，根据国家纯粹与应用化学联合会（IUPAC）有关定义，多孔碳材料按照其孔径尺寸的大小分为三类：孔径小于2nm的称为微孔材料；孔径大于50nm的称为大孔材料；孔径位于2nm～50nm之间的称为介孔材料。纳米碳材料具有良好的化学稳定性、高机械强度、良好的导电性、丰富的孔隙结构等优异的物理化学性质，而富勒烯和碳纳米管的发现，使得材料科学随着碳材料价值的发现已成为一个热门领域，引起科学家的广泛关注，但仍存在许多尚未解决的问题，阻碍了纳米材料在现实生活中的应用。
目前人们已经开发出多种制备纳米碳颗粒的方法，主要有机械球磨法、电弧放电法、激光热解法、离子束溅射法、化学气相沉积法、激光液相法等。
CN 201510940463.0公开了一种纳米碳粉制备方法，通过将酚醛树脂与乙醇、催化剂按照一定比例混合，配制出碳树脂先驱体溶液，利用该先驱体在密闭容器内升温在高温及乙醇饱和蒸汽压共同作用下交联固化，碳树脂先驱体在过量乙醇中固化生成交联结构的纳米溶胶，然后在常压高温碳化处理得到纳米级碳粉。CN 200310100468.X公开了一种纳米碳粉制备方法，该方法以大功率激光为反应能源，以C2H2为反应气，以C2H4为光敏气，先后进入充满惰性气体的反应室，在激光照射下发生气相热解反应，生成纳米碳。
目前由于纳米材料制备成本太高，一般需要在特殊工艺下才能生成，同时存在团聚、性能不稳定、粒度分布不均匀，收集难度大等问题，严重制约着纳米材料的应用。寻求新的合成技术和方法，是从事纳米材料研究者迫切需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法，该方法利用高压放电在电极板上制备纳米碳粉，方法使用设备简单，制得的纳米碳粉粒径分布均匀、性能稳定。
本发明通过如下技术方案实现的本发明目的：
（1）含碳的小分子气体和氮气通入等离子体反应器中，等离子体反应器在电压9～15kV、高频或工频条件下进行等离子体放电，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应；
（2）反应完成后等离子体反应器排空气体，收集获得纳米碳粉。
所述含碳的小分子气体在含碳的小分子气体和氮气混合后的气体中的体积浓度为0.1%～10%。
所述含碳的小分子气体为HCN或C2H2，气流流速为100～500 mL/min，停留时间为15～30 s。
所述等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径1.5～3 mm的圆钢型电极，等离子体反应器直径30～50mm，电极设置在线筒式反应器中心处。
本发明方法制得的纳米碳粉的颗粒度为≤5nm，产率可达85%以上。
本发明反应后排出气体中剩余反应物的浓度低于0.8～1 mg/m3。
所述等离子体放电为负电晕放电。
高压放电作用下利用等离子体产生的高能电子使氮气、HCN、C2H2等气体电离、解离，其中包括辉光放电、电晕放电都会促使气体发生电离、解离，产生自由基，形成分子、激发态分子、离子自由基共存的等离子体。等离子体物质的化学性质很活跃，易发生化学反应。
高压电作用下，等离子体放电使气体发生电离和解离，以HCN、H2C2为例存在以下可能的反应，最终生成纳米碳：
H2 O + e- → ·OH + ·H + e-
N2 + e- → ·N + ·N + e-
HCN + ·OH→ ·CN + H2O
·CN + e-→ ·C + ·N + e-
HCN + e-→·H + ·CN
·N + ·N→ N2 + e-
C2H2 + e-→ ·CH + ·CH + e-
·CH + e-→ ·C + ·H + e-
·CH + ·OH→·C +H2O
·H + ·OH→ H2O
本发明的优点：等离子体是包含大量非束缚态带电粒子（包括中性粒子成分）组成的多粒子体系；将HCN、C2H2等气体通入等离子体反应器中进行反应，利用等离子体产生的高能电子与HCN、C2H2等气体发生反应，生成中间体，如OH自由基、O自由基、CN自由基等，利用中间体，HCN、C2H2等气体最终转化生成碳粉；充分利用等离子体特性，在电极上产生质地均匀的纳米碳粉，经收集处理得到纳米晶粒尺度的碳粉。本发明克服了纳米碳粉制备周期长，对设备要求高，质量控制难度大的问题。本方法纳米碳粉粒径分布均匀、性能稳定，工艺设备简单、成本低，操作便宜，适合于工业生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
在实验室条件下，气体为HCN，氮气为平衡气，将HCN（0.2%）和氮气通入等离子体反应器，流量为200mL/min，等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径为1.5 mm圆钢型电极，反应器直径为32 mm，有效放电长度为95.4 mm，电极设置在线筒式反应器中心处；在10.4kV、50Hz工频条件下放电产生等离子体，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应23s，反应后在线筒式反应器上收集纳米碳粉，经电子显微镜测量，粉末粒径平均值约为4nm，达到纳米量级，产率达88.7%。
实施例2
在实验室条件下，气体为C2H2，氮气为平衡气，将C2H2（5％）和氮气通入等离子体反应器，流量为300mL/min，等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径为2.5 mm圆钢型电极，反应器直径为40 mm，有效放电长度为99.5mm，电极设置在线筒式反应器中心处；在12.3kV、高频8kHz条件下放电产生等离子体，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应25s，反应后在线筒式反应器上收集纳米碳粉，经电子显微镜测量，粉末粒径平均值≤5nm，达到纳米量级，产率达88.3%。
实施例3
在实验室条件下，气体为HCN，氮气为平衡气，将HCN（0.5％）和氮气通入等离子体反应器，流量为400mL/min，等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径为2mm圆钢型电极，反应器直径为46mm，有效放电长度为100mm，电极设置在线筒式反应器中心处；将5000个等离子体反应器以几何阵列的形式排列，总有效体积达2 m3/min。在13.8kV、高频12kHz条件下放电产生等离子体，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应25s，反应后在线筒式反应器上收集纳米碳粉，经电子显微镜测量，粉末粒径平均值≤5nm，达到纳米量级，产率达87.3%。
实施例4
在实验室条件下，气体为C2H2，氮气为平衡气，将C2H2（10%）和氮气通入等离子体反应器，流量为500mL/min，等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径为3mm圆钢型电极，反应器直径为50mm，有效放电长度为120mm，电极设置在线筒式反应器中心处；将8000个等离子体反应器以几何阵列的形式排列，总气流量达4 m3/min。在14.4kV、50Hz工频条件下放电产生等离子体，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应28s，反应后在线筒式反应器上收集纳米碳粉，经电子显微镜测量，粉末粒径平均值≤5 nm，达到纳米量级，产率达86.9%。

Claims (1)

1.一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法，其特征在于：将含碳的小分子气体和氮气通入等离子体反应器中，等离子体反应器在电压9～15kV、高频或工频条件下进行等离子体放电，含碳的小分子气体在等离子体条件下反应，反应完成后排空气体，收集获得纳米碳粉；
所述含碳的小分子气体在含碳的小分子气体和氮气混合后的气体中的体积浓度为0.1%～10%；
所述含碳的小分子气体为HCN，气流流速为100～500 mL/min，停留时间为15～30s；
所述等离子体反应器为线筒式反应器，电极为直径1.5～3 mm的圆钢型电极，等离子体反应器直径30～50mm，电极设置在线筒式反应器中心处；等离子体放电为负电晕放电；
上述方法制得的纳米碳粉的颗粒度为≤5nm，产率达85%以上。
CN201910739601.7A 2019-08-12 2019-08-12 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法 Active CN110451481B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910739601.7A CN110451481B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910739601.7A CN110451481B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110451481A CN110451481A (zh) 2019-11-15
CN110451481B true CN110451481B (zh) 2023-03-03

Family

ID=68486005

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910739601.7A Active CN110451481B (zh) 2019-08-12 2019-08-12 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110451481B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112279783B (zh) * 2020-09-27 2022-09-02 山东新和成精化科技有限公司 一种超临界条件下制备3-羟基丙腈的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003081619A (ja) * 2001-09-07 2003-03-19 Kansai Tlo Kk カーボン微粒子の製造装置
CN1458966A (zh) * 2000-09-19 2003-11-26 埃勒凯姆欧洲股份有限公司 将含碳原料转变为有清晰纳米结构含碳材料的装置和方法
CN1528662A (zh) * 2003-10-17 2004-09-15 黑龙江中超纳米产业股份有限公司 一种制备纳米碳粉的工艺方法
JP2005060116A (ja) * 2003-06-18 2005-03-10 Kyoto Institute Of Technology 微粒子製造方法および微粒子製造装置
CN105017815A (zh) * 2015-06-04 2015-11-04 苏州纳康纳米材料有限公司 一种低成本和高导电性能的纳米碳材料的制备方法
JP2016166102A (ja) * 2015-03-09 2016-09-15 国立大学法人山口大学 アモルファスカーボンナノ粒子の製造方法及びアモルファスカーボンナノ粒子
CN106698385A (zh) * 2015-07-23 2017-05-24 苏州纳康纳米材料有限公司 一种介质阻挡放电与电弧放电结合的放电模式制备纳米碳材料的方法
CN109206296A (zh) * 2017-07-03 2019-01-15 海加控股有限公司 低温等离子双电场辅助处理含甲烷气体合成化合物的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5002960B2 (ja) * 2003-11-17 2012-08-15 コニカミノルタホールディングス株式会社 ナノ構造炭素材料の製造方法、前記製造方法により形成されたナノ構造炭素材料および前記ナノ構造炭素材料を有する基板
CN102600866A (zh) * 2012-02-24 2012-07-25 大连理工大学 一种纳米金催化剂的大气压冷等离子体再生方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1458966A (zh) * 2000-09-19 2003-11-26 埃勒凯姆欧洲股份有限公司 将含碳原料转变为有清晰纳米结构含碳材料的装置和方法
JP2003081619A (ja) * 2001-09-07 2003-03-19 Kansai Tlo Kk カーボン微粒子の製造装置
JP2005060116A (ja) * 2003-06-18 2005-03-10 Kyoto Institute Of Technology 微粒子製造方法および微粒子製造装置
CN1528662A (zh) * 2003-10-17 2004-09-15 黑龙江中超纳米产业股份有限公司 一种制备纳米碳粉的工艺方法
JP2016166102A (ja) * 2015-03-09 2016-09-15 国立大学法人山口大学 アモルファスカーボンナノ粒子の製造方法及びアモルファスカーボンナノ粒子
CN105017815A (zh) * 2015-06-04 2015-11-04 苏州纳康纳米材料有限公司 一种低成本和高导电性能的纳米碳材料的制备方法
CN106698385A (zh) * 2015-07-23 2017-05-24 苏州纳康纳米材料有限公司 一种介质阻挡放电与电弧放电结合的放电模式制备纳米碳材料的方法
CN109206296A (zh) * 2017-07-03 2019-01-15 海加控股有限公司 低温等离子双电场辅助处理含甲烷气体合成化合物的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RF-PCVD法制备一种新颖纳米碳粒及其微结构表征;王占岭等;《炭素技术》;20081015(第05期);第37-40页 *
单电极冷等离子体射流制备碳纳米颗粒;张禹涛等;《湖南工业大学学报》;20100915(第05期);第20-22页 *
常压辉光放电等离子体制备荧光碳纳米粒子;谢春香等;《高分子材料科学与工程》;20120815(第08期);第137-139页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110451481A (zh) 2019-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Low-temperature plasma synthesis of carbon nanotubes and graphene based materials and their fuel cell applications
Ouyang et al. A brief review on plasma for synthesis and processing of electrode materials
KR101262827B1 (ko) 플러렌으로 기능화된 탄소나노튜브
JP7156648B2 (ja) カーボンナノ構造化材料及びカーボンナノ構造化材料の形成方法
US11148116B2 (en) Methods and apparatus for synthesizing compounds by a low temperature plasma dual-electric field aided gas phase reaction
JP2014525820A (ja) 粒状及び粉状製品の機能化のための設備及び方法
Wei et al. Enhanced photocatalytic activity of porous α-Fe2O3 films prepared by rapid thermal oxidation
JPWO2010104200A1 (ja) オニオンライクカーボンおよびその製造方法
Wang et al. Highly efficient adsorptive removal of persistent organic pollutants using NPD-acid combined modified NaY zeolites
CN110451481B (zh) 一种利用等离子体制备纳米碳粉的方法
Liu et al. Synthesis of structure controlled carbon nanomaterials by AC arc plasma process
Kreuznacht et al. Comparison of the performance of a microwave plasma torch and a gliding arc plasma for hydrogen production via methane pyrolysis
CN1768002A (zh) 由液相碳源制备碳纳米管的方法
US11685664B2 (en) Method for producing tetrahydroborate and tetrahydroborate
Harbec et al. Carbon nanotubes from the dissociation of C2Cl4 using a dc thermal plasma torch
Kim et al. Synthesis of boron nitride nanotubes in thermal plasma with continuous injection of boron under atmospheric pressure
Wang et al. Ion-irradiation of catalyst and electrode materials for water electrolysis/photoelectrolysis cells, rechargeable batteries, and supercapacitors
CN115403029B (zh) 一种单壁碳纳米管的制备方法
RU2489350C2 (ru) Способ получения углеродных наноматериалов и устройство для его реализации
CN111250132B (zh) 一种四氧化三铁/氮掺杂碳磁性纳米复合材料的冷等离子体制备方法及其应用
Cao et al. Research progress on graphene production by methane cracking: approach and growth mechanism
RU2816819C1 (ru) Способ получения нанопорошка элементного бора
CN110576177A (zh) 一种改变纳米颗粒形状的方法
Adamska et al. Purification of Carbon Nanotubes—A Review of Methodology
Husein et al. Electrical Discharge of Butane and Propane for Carbon Plasma with Air Impurities, Slightly Ionized at High Pressure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant