CN1806965A - 碳包金属纳米材料的制备方法和其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳包金属纳米材料的制备方法和其设备。该设备包括：至少两对应的电极；一金属离子源，其设置于该两电极附近，用于提供金属离子流；一磁路，其设置于该两电极与该金属离子源之间，用于控制该金属离子流，并使其进入该两电极的电弧放电区。本发明还提供一种使用该设备制备碳包金属纳米材料的方法。本发明的设备由于增加一金属离子源和一控制金属离子流的磁场，使得金属离子能持续进入电弧放电区，并与活性碳原子等粒子充分碰撞，提高产品产率。

Description

碳包金属纳米材料的制备方法和其设备

【技术领域】

本发明涉及一种碳包金属纳米材料制备方法和其设备，特别涉及一种使用电弧放电制备碳包金属纳米材料的方法和其设备。

【背景技术】

碳包金属纳米颗粒是一种新型纳米材料，当金属为过渡金属或稀土金属时，该材料具有优越的磁学特性。由于金属纳米颗粒之间被碳包裹而互相隔离，因此该结构形式既显示出纳米尺寸效应又克服纳米金属材料因表面能过大表现出的热、化学不稳定等缺陷，所以碳包金属纳米材料具有良好的电磁特性、热稳定性和耐腐蚀性。另外，由于该材料的外层含有C＝C键，可强烈吸收红外线，所以碳包金属纳米材料应用为电磁波吸收材料。

目前，现有的制备技术主要有电弧放电法(Arc Discharge)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)和激光挥发法(Laser Vaporization)。由于化学气相沉积法和激光挥发法实验设备昂贵，生产率较低，所以不适合工业上大量制备。

电弧放电法是碳包金属纳米材料的主要制备方法。

美国专利第5,549,973号揭露一种直径范围为0.5～50纳米的碳包金属纳米材料的制备方法，该方法的步骤如下：

a)提供一石墨棒电极，该石墨棒电极表面包覆有一层金属合金或该金属合金的氧化物；

b)使该石墨棒电极发生电弧放电形成一包含金属合金的碳纳米颗粒和其它生成物如金属合金纳米颗粒或碳化金属合金纳米颗粒；

c)提供一磁场，从上述生成物中分离出包含金属合金的碳纳米颗粒。

采用上述电弧放电法，所使用的石墨棒电极中，于石墨棒电极表面形成的金属层易消耗，制备出的碳包金属量小，且该方法的设备利用率低，所以，合成产率较低。

美国专利第5,783,263号揭露一种碳包金属纳米材料的制备方法，该方法的步骤如下：

a)提供一石墨棒电极，该石墨棒的内心包裹一金属棒，该金属棒可选用磁性金属和其合金或者该磁性金属和其合金的氧化物；

b)使该石墨棒电极发生电弧放电形成一包含磁性金属的碳纳米颗粒和其它非磁性材料物质；

c)提供一磁场，从上述其它非磁性材料物质中分离出包含磁性金属的碳纳米颗粒。

采用上述电弧放电法，石墨棒电极中包裹的金属棒同样容易消耗、合成产率低。且又由于该金属棒埋入石墨棒电极中，于电弧放电合成过程中未于反应区内与生长中碳材料等充分接触，导致合成产率较低。

有鉴于此，提供一种可持续提供金属粒子于电弧放电区，以提高合成产率的碳包金属纳米材料的制备方法和其设备实为必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种可持续提供金属粒子于电弧放电区，以提高合成产率的碳包金属纳米材料的设备。

本发明的另一目的在于提供一种可持续提供金属粒子于电弧放电区，以提高合成产率的碳包金属纳米材料的制备方法。

为实现本发明的目的，提供一种制备碳包金属纳米材料的设备，其包括：

至少两对应的电极；

一金属离子源，其设置于该两电极附近，用于提供金属离子流；

一磁路，其设置于该两电极与该金属离子源之间，用于控制该金属离子流，并使其进入该两电极的电弧放电区。

为实现本发明的另一目的，提供一种碳包金属纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：

提供至少两对应的电极；

提供一金属离子源，其设于该两电极附近；

于金属离子源和该两电极之间提供一磁场；

使该两电极间隙发生电弧放电；

使金属离子源产生金属离子流，该金属离子流在该磁场作用下进入电弧放电区；

收集并分离产物，得到碳包金属纳米材料。

与现有技术相比较，本发明使用的电弧放电设备由于增加一金属离子源和一控制金属离子流的磁场，使得金属离子能持续进入电极间隙的电弧放电区，所以，能增加金属离子与放电区的活性碳原子和碳离子的碰撞机会，提高产品纯度和生产率；本发明的碳包金属纳米材料的制备方法由于采用上述设备可提高产率。

【附图说明】

图1是本发明实施例制备碳包金属纳米材料的设备结构示意图。

图2是图1沿II-II直线的磁路截面示意图。

图3是本发明朝向腔体中心的相邻磁极不同的磁铁的磁场分布示意图。

图4是本发明实施例碳包金属纳米材料的制备方法步骤图。

【具体实施方式】

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例的电弧放电设备10，包括：一密闭反应器11，一位于该反应器11内的阴极12和一与阴极12对应的阳极13，该两电极12，13分别通过支撑体14，15固定于该反应器11两内侧壁，该两电极12，13都为石墨棒电极；一位移调节设备16与支撑体15相连接，用于调节阳极13与阴极12之间的间距；一电源17设置于该反应器11外部，用于在该两电极12，13之间提供一电压；一真空泵18，其与该反应器11相连接，用于降低反应器11内的气体压强；一供气系统，用于提供工作气体(惰性气体)，其包括一气罐19，多个导气管20和一阀门21，该多个导气管20依次连接该气罐19、阀门21和反应器11，该阀门21可开启或关闭导气管20向该反应器11供气。

在反应器11内，该两电极12，13下方设置一金属离子源，本实施例该金属离子源采用一电子枪22和一坩埚23，用于放置金属源，例如铁、钴、镍或其合金等。为使更多金属离子进入该两电极12，13间隙的电弧放电区，该坩埚23可选择设于该两电极12，13间隙正下方。该电子枪22射出电子束轰击该金属源，并将该金属源熔化蒸发而形成金属蒸气，该金属蒸气与工作气体分子和电子枪22射出的电子束相碰撞形成等离子体，该金属离子可进入该两电极12，13间隙的电弧放电区。

请一并参阅图2和图3，在反应器11内，该两电极12，13与该坩埚23之间的适当位置通过支撑柱(图未示)固定一磁路(未标示)，用于提供一磁场以控制无序运动的金属离子进入电弧放电区。该磁路包括多个永久性磁铁24。本实施例的磁路采用四块永久性磁铁24，其围成一腔体A，该腔体A两端分别对应于坩埚23和该两电极12，13间隙的电弧放电区。图2为相邻的四块永久性磁铁24朝向腔体A中心的磁极相同(S磁极)的磁场分布；图3为相邻的四块永久性磁铁24朝向腔体中心的磁极不同的磁场分布。该磁路于腔体A内形成的磁场方向是从坩埚23指向该两电极12，13间隙的电弧放电区，所以在腔体A内形成一约束金属离子流运动方向的磁场。

另外，由于该两电极12，13间隙形成的电弧放电将产生大量热量，大量热量积蓄到一定程度将使该两电极12，13产生变形而影响电弧放电，所以，需设置若干冷却管(图未示)分别缠绕于支撑体14，15；由于电子枪22和金属蒸气都能产生大量热量，而本实施例的多个永久性磁铁24在到达其居里温度后将失去磁性，所以，需设置冷却装置(图未示)与该多个永久性磁铁24接触。

使用时，启动电源17使该两电极12，13间隙产生电弧放电；启动电子枪22，其发射电子束轰击磁性金属源形成金属离子，多个金属离子在磁路24的磁场作用下形成金属离子流，其持续进入电弧放电区。该电弧方电区的活性碳原子或碳离子与进入电弧放电区的金属离子流充分碰撞，可于阴极顶端大量生成碳包金属纳米材料。

可以理解的是，本发明的电弧放电设备的金属离子源除电子枪以外还可选择感应线圈或高周波等加热源。本发明的电弧放电设备的磁路可选择电磁铁，外接电源使该电磁铁产生可控磁场。本发明的电弧放电设备可采用多个对电极，该电极除了石墨还可选用活性碳或不定形材料。

请参阅图4，本发明提供制备碳包金属纳米材料的方法，其包括以下步骤：

步骤1，提供一阳极和一阴极，其顶端相互对准，并隔开一适当距离。该阳极和阴极可选用石墨或无定形碳棒。

步骤2，提供一设于该两电极附近的金属离子源。该金属离子源选用一电子枪和一盛放金属靶材的坩埚，该金属靶材选用铁、镍、钴或其合金等。使用时，该电子枪射出电子束轰击该金属靶材，并将该金属靶材源熔化蒸发而形成金属蒸气，该金属蒸气与工作气体分子和由电子枪射出的电子束相碰撞形成等离子体，该金属离子可进入该两电极间隙的电弧放电区。另外，该金属离子源还可选用感应线圈或高周波等加热设备蒸发金属源。

步骤3，于金属离子源和该两电极之间提供一磁场。其具体实施方法有两种：(一)采用多个永久性磁铁围成一两端开口的腔体，其一端对应于金属离子源，另一端对应于该两电极间隙的电弧放电区；(二)采用多个电磁铁围成一两端开口的腔体，其一端对应于金属离子源，另一端对应于该两电极间隙的电弧放电区，且该多个电磁铁外接电源。

步骤4，使该两电极间隙发生电弧放电。如使用本发明的电弧放电设备10，需包括以下步骤：对该电弧放电设备10进行抽真空处理；再引入工作气体，如惰性气体等；接通电源17使两电极间隙形成稳定的电弧。

步骤5，使该金属离子源产生金属离子流，该金属离子流在该磁场作用下进入该两电极的电弧放电区。可使用上述电子枪轰击该金属靶材使的产生金属离子，该金属离子在磁场作用下向上进入该两电极间隙的电弧放电区，与该电弧方电区的活性碳原子或碳离子充分碰撞，于阴极顶端生成产物。

步骤6，收集并分离产物，得到碳包金属纳米材料。经适当合成反应时间，关闭电源17和电子枪22，收集产物并使分离出碳包金属纳米材料。分离产物的方法可采用电磁分离方法。

可以理解的是，本发明的制备方法可采用多个对电极产生电弧放电，可用于大量生产碳包金属纳米材料。

本发明使用的电弧放电设备由于增加一金属离子源和一控制金属离子流的磁场，使得金属离子能持续进入电极间隙的电弧放电区，所以，能增加金属离子与放电区的活性碳原子和碳离子的碰撞机会，提高产品纯度和生产率；本发明的碳包金属纳米材料的制备方法由于采用上述设备可提高产率。

Claims (21)

1.一种制备碳包金属纳米材料的设备，其包括：

至少两对应的电极；

一金属离子源，其设置于该多个电极附近，用于提供金属离子流；

其特征在于进一步包括一磁路，其设置于该两电极与该金属离子源之间，用于控制该金属离子流，并使其进入该两电极的电弧放电区。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于该设备进一步包括一电源，用于提供一电压使该两电极间隙产生电弧放电。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于该两电极、该金属离子源和该磁路容纳于一反应器。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于该两电极包括一阴极和一阳极，其通过两支撑体分别固定于该反应器。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于该设备进一步包括一连接该阳极的支撑体的位移调节设备，用于控制该阳极与该阴极的间距。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于该设备进一步包括若干冷却管缠绕于该两支撑体。

7.如权利要求1至4任意一项所述的设备，其特征在于该两电极材料选自石墨、活性碳或不定形材料。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于该金属离子源包括电子枪和用于盛放金属源的坩埚。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于该金属源选自铁、钴、镍或其合金。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于该金属离子源包括感应线圈或高周波。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于该磁路包括多个永久性磁铁或电磁铁，用于提供一磁场方向为从该金属离子源指向该两电极间隙的磁场。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于该磁路包括四块永久性磁铁，其围成一腔体，该腔体对应于该金属离子源和该两电极间隙。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于该设备进一步包括一冷却装置与该磁路相接触。

14.如权利要求3所述的设备，其特征在于该设备进一步包括一连接于该反应器的真空泵。

15.如权利要求3所述的设备，其特征在于该设备进一步包括一连接于该反应器的供气系统，其包括一气罐，多个连接于该气罐和该反应器的导气管和一连接该多个导气管的阀门。

16.一种碳包金属纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：

提供至少两对应的电极；

提供一设于该两电极附近的金属离子源；

于金属离子源和该两电极之间提供一磁场；

使该两电极间隙发生电弧放电；

使金属离子源产生金属离子流，该金属离子流在该磁场作用下进入电弧放电区；

收集并分离产物，得到碳包金属纳米材料。

17.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于该金属离子源包括电子枪和用于盛放金属靶材的坩埚。

18.如权利要求17所述的制备方法，其特征在于该金属源包括铁、钴、镍或其合金。

19.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于该金属离子源包括感应线圈或高周波加热源。

20.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于该使该两电极间隙发生电弧放电的步骤包括：

对该反应器进行抽真空处理；

引入惰性工作气体；

接通电源使该两电极间隙形成稳定电弧。

21.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于采用电磁分离方法分离该产物。

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