RU2616920C2 - Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride - Google Patents
Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616920C2 RU2616920C2 RU2014149206A RU2014149206A RU2616920C2 RU 2616920 C2 RU2616920 C2 RU 2616920C2 RU 2014149206 A RU2014149206 A RU 2014149206A RU 2014149206 A RU2014149206 A RU 2014149206A RU 2616920 C2 RU2616920 C2 RU 2616920C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- hydrogen
- hydride
- nanoparticles
- titanium hydride
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G23/00—Compounds of titanium
- C01G23/04—Oxides; Hydroxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения гидридов переходных металлов, в частности, к области получения нанопорошков гидридов титана газофазными методами.The invention relates to the field of production of transition metal hydrides, in particular, to the field of production of titanium hydride nanopowders by gas-phase methods.
Изобретение может быть использовано для создания аккумуляторов водорода, получения воспламенительных и термитных составов, получения катализаторов гидрирования органических соединений.The invention can be used to create hydrogen accumulators, to obtain igniter and thermite compositions, to obtain catalysts for the hydrogenation of organic compounds.
Из уровня техники известны технические решения для получения гидрида титана, основанные на химических реакциях восстановления химических соединений титана до металлического титана и последующего взаимодействия с водородом (гидрирования) металлического титана, которые протекают с участием химических соединений других элементов. Такие технические решения имеют сложный технологический цикл и требуют для своего осуществления сложного оборудования. Исходным материалом в таких процессах служат хлориды или оксиды титана.The prior art technical solutions for producing titanium hydride, based on chemical reactions of the reduction of chemical compounds of titanium to metallic titanium and subsequent interaction with hydrogen (hydrogenation) of metallic titanium, which occur with the participation of chemical compounds of other elements. Such technical solutions have a complex technological cycle and require sophisticated equipment for their implementation. The starting material in such processes are chlorides or titanium oxides.
Известен способ получения порошка гидрида титана (V.S. Moxson, V.A. Duz et al., US 2013/0315773, Method of manufacturing pure titanium hydride powder and alloyed titanium hydride powders by combined hydrogen-magnesium reduction of metal halides, C01B 6/02, B22F 3/24, Nov. 28, 2013), включающий металлотермическое восстановление хлоридов титана до металлического титана, его гидрирование и получение губчатого гидрида титана, который затем дробят и измельчают. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана с размерами частиц 10-600 мкм порционно, в количестве, определяемом количеством исходных веществ. Однако, известный способ не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (VS Moxson, VA Duz et al., US 2013/0315773, Method of manufacturing pure titanium hydride powder and alloyed titanium hydride powders by combined hydrogen-magnesium reduction of metal halides, C01B 6/02,
Известен способ получения порошка гидрида титана (S.A. Kasparov, A.G. Klevtsov et al., US 8087562 B2, Semi-continuous magnesium-hydrogen reduction process for manufacturing of hydrogenated, purified titanium powder, Int. Cl. C22B 34/12, B22F 9/18, Aug 30, 2011) в котором используют полунепрерывный процесс, включающий восстановление тетрахлорида титана магнием в атмосфере водорода при температуре 830-880°С с образованием губки титана, термовакуумное отделение губки титана от остатков магния и хлорида магния при температуре 850-980°С с продувкой водородом, гидрирование и охлаждение титановой губки до 600°С, выдерживание гидрированной титановой губки при температуре 450-600°С, удаление ее из реактора, дробление и измельчение ее в порошок с заданным размером частиц. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана с размером частиц 100-150 мкм в полунепрерывном режиме, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (SA Kasparov, AG Klevtsov et al., US 8087562 B2, Semi-continuous magnesium-hydrogen reduction process for manufacturing of hydrogenated, purified titanium powder, Int. Cl. C22B 34/12, B22F 9/18 , Aug 30, 2011) in which a semi-continuous process is used, including the reduction of titanium tetrachloride with magnesium in a hydrogen atmosphere at a temperature of 830-880 ° C to form a titanium sponge, thermal vacuum separation of the titanium sponge from residues of magnesium and magnesium chloride at a temperature of 850-980 ° C hydrogen purging; hydrogenation and cooling of a titanium sponge to 600 ° С; keeping hydrogenated ty ANOVA sponge at a temperature of 450-600 ° C, removing it from the reactor, crushing and grinding it into a powder with a predetermined particle size. The known method allows to obtain titanium hydride powder with a particle size of 100-150 μm in a semi-continuous mode, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения порошка гидрида титана (A. Klevtsov, A. Nikishin et al., US 8388727 B2, Continuous and semi-continuous process of manufacturing of titanium hydride using titanium chlorides of different valency, Int. Cl. C01B 6/02, C22B 34/12, B22F 9/24, Mar 5, 2013), который представляет собой многостадийный непрерывный процесс, включающий получение тетрахлорида титана из оксида титана, восстановление его водородом до низших хлоридов титана, их диссоциацию в вакууме при температурах в разных стадиях от 450°С до 750-850°С для получения порошка титана и тетрахлорида титана, гидрирование порошка титана при температуре 400-640°С. Известный способ позволяет получать в непрерывном или полунепрерывном режиме порошок гидрида титана без примесей кислорода и азота, предназначенный для использования в порошковой металлургии для производства титановых сплавов. Авторы известного способа не указывают размеры частиц получаемого продукта, однако специалисту понятно, что известный способ позволяет получать порошок гидрида титана с частицами микронных размеров, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (A. Klevtsov, A. Nikishin et al., US 8388727 B2, Continuous and semi-continuous process of manufacturing of titanium hydride using titanium chlorides of different valency, Int. Cl. C01B 6/02, C22B 34/12, B22F 9/24, Mar 5, 2013), which is a multistage continuous process, including the production of titanium tetrachloride from titanium oxide, its reduction with hydrogen to lower titanium chlorides, their dissociation in vacuum at temperatures at different stages from 450 ° C to 750-850 ° C to obtain titanium powder and titanium tetrachloride, hydrogenation of titanium powder at a temperature of 400-640 ° C. The known method allows to obtain in a continuous or semi-continuous mode titanium hydride powder without impurities of oxygen and nitrogen, intended for use in powder metallurgy for the production of titanium alloys. The authors of the known method do not indicate the particle sizes of the obtained product, however, the specialist understands that the known method allows to obtain titanium hydride powder with micron particles, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Из уровня техники известны варианты технических решений для получения порошка гидрида титана в реакции титана с водородом (гидрирования), которые включают стадию предварительной активации исходного титана путем его прогрева.The prior art options for technical solutions for producing titanium hydride powder in the reaction of titanium with hydrogen (hydrogenation), which include the stage of preliminary activation of the source titanium by heating it.
Известен способ получения порошка гидрида титана (Кремзуков И.К., Колобянина Н.М., и др., Патент РФ №2301723, Способ получения мелкодисперсного порошка титана, МПК B22F 9/16, 27.06.2007, Бюл. №18; Кремзуков И.К., Веденеев А.И. и др., Патент РФ №2414331, Способ получения порошка нестехиометрического гидрида титана с заданным содержанием водорода, МПК B22F 9/16, 20.03.2011, Бюл. №8), в котором проводят вакуумный термический отжиг и гидрирование исходного губчатого титана при температуре 400-650°С. Полученный губчатый гидрид титана измельчают до порошка с удельной поверхностью 2,5-5,3 м2/г. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана микронных размеров порционно, в количестве, определяемом массой исходного губчатого титана, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method of producing titanium hydride powder (Kremzukov I.K., Kolobyanina N.M., et al., RF Patent No. 2301723, Method for producing finely divided titanium powder, IPC B22F 9/16, 06/27/2007, Bull. No. 18; Kremzukov I.K., Vedeneev A.I. et al., RF Patent No. 2414331, Method for producing non-stoichiometric titanium hydride powder with a given hydrogen content, IPC B22F 9/16, 03.20.2011, Bull. No. 8), in which vacuum thermal annealing and hydrogenation of the initial sponge titanium at a temperature of 400-650 ° C. The resulting sponge titanium hydride is ground to a powder with a specific surface area of 2.5-5.3 m 2 / g. The known method allows to obtain micron-sized titanium hydride powder in portions, in an amount determined by the mass of the initial sponge titanium, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения порошка гидрида титана (Голубков А.Н., Патент РФ №2507150, Способ получения порошкообразного гидрида титана, МПК С01В 6/02, 20.02.2014, Бюл. №5), в котором магниетермический порошок титана с размерами частиц примерно 160 мкм активируют путем прогрева в динамическом вакууме при температурах 290-350°С в течение 3-4 часов, после чего осуществляют взаимодействие порошка титана с водородом при температуре не более 300°С. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана микронных размеров порционно, в количестве, определяемом количеством исходного порошка титана, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (Golubkov AN, RF Patent No. 2507150, Method for producing powdered titanium hydride, IPC СВВ 6/02, 02/20/2014, Bull. No. 5), in which the magnetothermic titanium powder with particle sizes of about 160 μm is activated by heating in a dynamic vacuum at temperatures of 290-350 ° C for 3-4 hours, after which titanium powder is reacted with hydrogen at a temperature of not more than 300 ° C. The known method allows to obtain micron-sized titanium hydride powder in batches, in an amount determined by the amount of the initial titanium powder, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Из уровня техники известны технические решения для получения порошка гидрида титана путем его обработки в шаровой мельнице в атмосфере водорода.The prior art technical solutions for producing titanium hydride powder by processing it in a ball mill in a hydrogen atmosphere.
Известен способ получения порошка гидрида титана (J. Jang, S. Ко, W. Lee, S. Park, WO 2008030029 Al, Manufacturing method for titanium hydride powders, Int. Cl. C01G 23/00, Mar 13, 2008; W. Lee, J. Jang, S. Kо, S. Park, US 20100061925, Manufacturing method for titanium hydride powders, Int. C1. C01G 23/00, Mar 11, 2010), в котором титановую губку или отходы механической обработки титана или титанового сплава (стружку, дробь, опилки) подвергают обработке в шаровой мельнице в атмосфере водорода при давлении 1-100 бар и в процессе измельчения исходного титана инициируют экзотермическую реакцию порошка титана с водородом. Известный способ позволяет утилизировать отходы механической обработки титана и получать порошок гидрида титана микронных размеров порционно, в количестве, определяемом массой исходного титана, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (J. Jang, S. Co., W. Lee, S. Park, WO 2008030029 Al, Manufacturing method for titanium hydride powders, Int. Cl. C01G 23/00, Mar 13, 2008; W. Lee, J. Jang, S. Co., S. Park, US 20100061925, Manufacturing method for titanium hydride powders, Int. C1. C01G 23/00, Mar 11, 2010), in which a titanium sponge or titanium or titanium mechanical waste The alloy (shavings, shot, sawdust) is processed in a ball mill in a hydrogen atmosphere at a pressure of 1-100 bar, and during the grinding of the initial titanium, an exothermic reaction of the titanium powder with hydrogen is initiated. The known method allows you to utilize the waste machining of titanium and to obtain titanium hydride powder of micron sizes in portions, in an amount determined by the mass of the original titanium, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения порошка гидрида титана (Н. Zhang, Е.Н. Kisi, Formation of titanium hydride at room temperature by ball milling, J. Phys. Condens. Matter, 9, 1997, Letter to the Editor, L185-L190; D.A. Small, G.R. MacKay, R.A. Dunlap, Hydriding reactions in ball-milled titanium, J. Alloys Comp., 284, 1999, 312-315), в котором исходный порошок титана чистотой 99,98% с размером гранул -325 меш (44 мкм) подвергают обработке в шаровой мельнице в атмосфере водорода при комнатной температуре. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана порционно, в количестве, определяемом массой исходного порошка титана. Известный способ позволяет получать порошок гидрида титана, в котором присутствуют частицы в широком диапазоне размеров (0,1-500 мкм) и формировать в получаемых частицах порошка гидрида титана кристаллические области размерами 8-30 нм. Однако, известный способ не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride powder (N. Zhang, E.N. Kisi, Formation of titanium hydride at room temperature by ball milling, J. Phys. Condens. Matter, 9, 1997, Letter to the Editor, L185-L190; DA Small, GR MacKay, RA Dunlap, Hydriding reactions in ball-milled titanium, J. Alloys Comp., 284, 1999, 312-315), in which the initial titanium powder is 99.98% pure with a granule size of -325 mesh (44 μm ) subjected to processing in a ball mill in a hydrogen atmosphere at room temperature. The known method allows to obtain titanium hydride powder in portions, in an amount determined by the mass of the initial titanium powder. The known method allows to obtain titanium hydride powder, in which particles are present in a wide range of sizes (0.1-500 microns) and to form crystalline regions with sizes of 8-30 nm in the resulting particles of titanium hydride powder. However, the known method does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения наночастиц гидрида титана (С. Borchers, N.I. Khomenko, et al., Boron enhanced synthesis of Ti-hydride nanoparticles by milling Ti/B in hydrogen flow, Current Nanoscience, Vol. 7, No. 5, 2011, 757-769), в котором исходный порошок титана чистотой 99,5% с размером частиц около 200 мкм и аморфный бор чистотой 99% подвергают обработке в шаровой мельнице в потоке газовой смеси водорода с гелием, содержащей 55% водорода. Известный способ позволяет получать нанокомпозит Ti/TiH2-x/B, содержащий наночастицы титана или гидрида титана эллиптической формы размерами 4×8 нм. Однако, получаемые известным способом наночастицы гидрида титана находятся не в свободном виде, а связаны в матрице бора вместе с наночастицами титана. Количество получаемого известным способом в одном цикле продукта зависит от количества исходных веществ. Таким образом, известный способ не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method for producing titanium hydride nanoparticles (C. Borchers, NI Khomenko, et al., Boron enhanced synthesis of Ti-hydride nanoparticles by milling Ti / B in hydrogen flow, Current Nanoscience, Vol. 7, No. 5, 2011, 757- 769), in which an initial titanium powder of 99.5% purity with a particle size of about 200 μm and 99% pure amorphous boron is subjected to a ball mill processing in a stream of a hydrogen gas mixture with helium containing 55% hydrogen. The known method allows to obtain a nanocomposite Ti / TiH 2-x / B containing titanium nanoparticles or titanium hydride of elliptical shape with dimensions of 4 × 8 nm. However, titanium hydride nanoparticles obtained in a known manner are not in free form, but are bound in the boron matrix together with titanium nanoparticles. The amount obtained in a known manner in one product cycle depends on the amount of starting materials. Thus, the known method does not allow to obtain a titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Из уровня техники известны также различные варианты технических решений для получения гидрида титана, основанных непосредственно на реакции металлического титана с газообразным водородом при высокой температуре (гидрирование в режиме горения). Исходным материалом для получения гидрида титана при их реализации служит металлический титан, как правило, в виде губчатых блоков либо в виде порошка титана губчатого, а конечным продуктом является гидрид титана в виде пористой массы (губки).Various technical solutions are also known from the prior art for the production of titanium hydride based directly on the reaction of titanium metal with hydrogen gas at high temperature (hydrogenation in the combustion mode). The starting material for producing titanium hydride during their implementation is metallic titanium, usually in the form of sponge blocks or in the form of sponge titanium powder, and the final product is titanium hydride in the form of a porous mass (sponge).
Известен способ получения гидрида титана (Макаров М.Б, Капитонов В.И. и др., Патент РФ №2229433, Способ получения гидридов переходных металлов, МПК С01В 6/02, 27.05.2004), согласно которому титановую губку загружают в реактор, продувают инертным газом, нагревают до температуры образования гидрида (250-500°С) и подают пожаровзрывобезопасную смесь инертного газа и водорода с содержанием водорода не более 7% при атмосферном давлении. Содержание водорода в конечном продукте определяется температурой гидрирования, временем продувки газовой смеси и содержанием водорода в газовой смеси, определяемыми опытным путем. Известный способ позволяет получать губчатый гидрид титана с требуемым содержанием водорода порционно, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method of producing titanium hydride (Makarov MB, Kapitonov V.I. et al., RF Patent No. 2229433, Method for producing transition metal hydrides, IPC СВВ 6/02, 05/27/2004), according to which the titanium sponge is loaded into the reactor, purge with an inert gas, heat to a hydride formation temperature (250-500 ° C) and supply a fire-explosion-safe mixture of inert gas and hydrogen with a hydrogen content of not more than 7% at atmospheric pressure. The hydrogen content in the final product is determined by the hydrogenation temperature, the purge time of the gas mixture and the hydrogen content in the gas mixture, determined empirically. The known method allows to obtain sponge titanium hydride with the required hydrogen content in portions, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения гидрида титана (Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Ратников В.И., Патент РФ №2208573, Способ получения гидрида титана, МПК С01В 6/02, 20.07.2003), который включает взаимодействие титана с водородом в реакционном объеме водоохлаждаемого герметичного реактора под давлением водорода в режиме горения путем локального инициирования процесса поджигом титана с последующим прохождением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при давлении водорода менее 0,3 МПа, охлаждение продукта синтеза и его выделение, при этом в качестве титана используют титановую губку, или дробленый титан губчатый фракций от 2 до 100 мм, или его смесь с полидисперсным порошком титана с размерами частиц преимущественно не менее 1,8 мм. По известному способу получают гидрид титана в виде пористой массы, которую при необходимости измельчают в шаровой мельнице до дисперсности 150 мкм. Количество порошка гидрида титана, получаемого в одном цикле по известному способу, зависит от количества исходного титана. Однако известный способ не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method of producing titanium hydride (Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G., Ratnikov V.I., RF Patent No. 2208573, Method for producing titanium hydride, IPC С01В 6/02, 07/20/2003), which includes the interaction of titanium with hydrogen in the reaction volume of a water-cooled pressurized reactor under hydrogen pressure in the combustion mode by local initiation of the process by ignition of titanium followed by self-propagating high-temperature synthesis at a hydrogen pressure of less than 0.3 MPa, cooling the synthesis product and its isolation, while titanium stve use titanium sponge, or crushed titanium sponge fractions from 2 to 100 mm, or a mixture of titanium powder with a polydispersed particle size preferably not less than 1.8 mm. By a known method receive titanium hydride in the form of a porous mass, which, if necessary, is crushed in a ball mill to a dispersion of 150 microns. The amount of titanium hydride powder obtained in one cycle by a known method depends on the amount of starting titanium. However, the known method does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Известен способ получения порошка гидрида титана (Ратников В.И., Прокудина В.К., Боровинская И.П., Мержанов А.Г., Патент РФ №2385837, Способ получения гидрида титана и устройство для его осуществления, МПК С01В 6/02, C01G 23/00, 10.04.2010, Бюл. №10), который включает взаимодействие губчатого титана с водородом в реакционном объеме герметичного водоохлаждаемого реактора под давлением водорода в режиме горения путем локального инициирования процесса горения с последующим прохождением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при давлении менее 0,3 МПа, охлаждение продукта синтеза и его выделение. По известному способу получают гидрид титана в виде губки, которую затем измельчают в ступке или шаровой мельнице. Известный способ позволяет в результате измельчения получать порошок гидрида титана с дисперсностью 150 мкм в количестве, определяемом количеством исходного продукта, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method of producing titanium hydride powder (Ratnikov V.I., Prokudina V.K., Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G., RF Patent No. 2385837, Method for producing titanium hydride and device for its implementation, IPC С01В 6 / 02, C01G 23/00, 04/10/2010, Bull. No. 10), which includes the interaction of sponge titanium with hydrogen in the reaction volume of a pressurized water-cooled reactor under hydrogen pressure in the combustion mode by local initiation of the combustion process with subsequent passage of self-propagating high-temperature synthesis at a pressure of less than0.3 MPa, cooling the synthesis product and its isolation. By a known method receive titanium hydride in the form of a sponge, which is then crushed in a mortar or ball mill. The known method allows grinding to obtain titanium hydride powder with a dispersion of 150 μm in an amount determined by the amount of the starting product, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowder in a continuous mode.
Из уровня техники известны технические решения для получения порошка гидрида титана в водородной плазме.The prior art technical solutions for producing titanium hydride powder in hydrogen plasma.
Известен способ получения высокодисперсного порошка гидрида титана в водородной плазме (Osaki Katsuhisa, Tanaka Toyokichi, Tanizaki Hironori, Iwasaki Kunihiko, JP 08-067503 A, Production of hydrogenated titanium superfine particle, Int. C1. C01B 6/02, B01J 19/08, C01G 23/00, Mar 12, 1996), который состоит в воздействии на титан высокотемпературной водородной плазмы и включает его нагрев, плавление и испарение с одновременным гидрированием. Известный способ позволяет получать частицы гидрида титана нестехиометрического состава размером 1 мкм и менее, порционно, в количестве, определяемом массой исходного образца металлического титана. Известный способ не позволяет получать нанопорошок гидрида титана стехиометрического состава в непрерывном режиме.A known method of producing a fine powder of titanium hydride in hydrogen plasma (Osaki Katsuhisa, Tanaka Toyokichi, Tanizaki Hironori, Iwasaki Kunihiko, JP 08-067503 A, Production of hydrogenated titanium superfine particle, Int. C1. C01B 6/02, B01J 19/08, C01G 23/00, Mar 12, 1996), which consists in exposing titanium to high-temperature hydrogen plasma and includes heating, melting and evaporation with simultaneous hydrogenation. The known method allows to obtain particles of titanium hydride of non-stoichiometric composition with a size of 1 μm or less, in portions, in an amount determined by the mass of the initial sample of metallic titanium. The known method does not allow to obtain titanium hydride nanopowder of stoichiometric composition in a continuous mode.
Известен способ получения нанопорошка гидрида титана в водородной плазме (Tong Liu, Yaohua Zhang, Xingguo Li, Preparations and characteristics of Ti hydride and Mg ultrafine particles by hydrogen plasma-metal reaction, Scripta Materialia 48, 2003, 397-402), который включает испарение бруска титана чистотой 99,9% в дуговом разряде в атмосфере водорода при давлении 0,1 МПа, конденсацию паров титана в наночастицы, адсорбирование водорода в наночастицах титана при давлении водорода 0,5 бар при температуре 1250-850 К (977-577°С) и ниже. Известный способ позволяет получать наночастицы гидрида титана размером 5-100 нм нестехиометрического состава, в виде упорядоченного твердого раствора, содержание водорода в котором определяется давлением и температурой. Известный способ позволяет получать наночастицы гидрида титана со скоростью 0,15 моль/час порционно, в количестве, определяемом массой исходного бруска металлического титана, но не позволяет получать нанопорошок гидрида титана в непрерывном режиме.A known method of producing titanium hydride nanopowders in hydrogen plasma (Tong Liu, Yaohua Zhang, Xingguo Li, Preparations and characteristics of Ti hydride and Mg ultrafine particles by hydrogen plasma-metal reaction, Scripta Materialia 48, 2003, 397-402), which includes evaporation a titanium bar with a purity of 99.9% in an arc discharge in a hydrogen atmosphere at a pressure of 0.1 MPa, condensation of titanium vapor into nanoparticles, hydrogen adsorption in titanium nanoparticles at a hydrogen pressure of 0.5 bar at a temperature of 1250-850 K (977-577 ° C ) and below. The known method allows to obtain titanium hydride nanoparticles with a size of 5-100 nm of non-stoichiometric composition, in the form of an ordered solid solution, the hydrogen content of which is determined by pressure and temperature. The known method allows to obtain titanium hydride nanoparticles at a rate of 0.15 mol / hour in portions, in an amount determined by the mass of the initial bar of titanium metal, but does not allow to obtain titanium hydride nanopowders in a continuous mode.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в расширении технологических возможностей способа за счет обеспечения непрерывного процесса получения нанопорошка гидрида титана.The problem to which the invention is directed, is to expand the technological capabilities of the method by providing a continuous process for producing titanium hydride nanopowder.
Технический результат изобретения выражается в получении товарного продукта в виде нанопорошка гидрида титана в свободно-насыпном состоянии и обеспечении непрерывного процесса его получения.The technical result of the invention is expressed in obtaining a marketable product in the form of a titanium hydride nanopowder in a free-bulk state and providing a continuous process for its production.
Технический результат изобретения выражается также в получении гидрида титана стехиометрического состава TiH2 (в соответствии с химической реакцией между титаном и водородом) в виде частиц со средним размером 25-32 нм.The technical result of the invention is also expressed in the production of titanium hydride with a stoichiometric composition of TiH 2 (in accordance with the chemical reaction between titanium and hydrogen) in the form of particles with an average size of 25-32 nm.
Технический результат изобретения выражается также в том, что использование наноразмерных порошков гидрида титана позволяет повысить объемное и весовое содержание водорода в аккумуляторах водорода, снизить температуру отдачи водорода из аккумуляторов водорода, повысить эффективность воспламенительных смесей, существенно увеличить удельную поверхность катализаторов по сравнению с использованием для тех же целей более крупных порошков гидрида титана.The technical result of the invention is also expressed in the fact that the use of nanosized titanium hydride powders makes it possible to increase the volumetric and weight contents of hydrogen in hydrogen accumulators, reduce the temperature of hydrogen transfer from hydrogen accumulators, increase the efficiency of ignition mixtures, and significantly increase the specific surface area of catalysts compared to using the same targets larger titanium hydride powders.
Технический результат достигается способом получения наночастиц гидрида титана, в котором, согласно изобретению, в вертикально ориентированном реакторе с противоточным индуктором организуют непрерывный нисходящий ламинарный поток газа-носителя, подают сверху титановую проволоку в высокочастотное поле противоточного индуктора, разогревают титановую проволоку в высокочастотном поле до температуры ее плавления и образования на ее конце капли, подвешивают каплю расплавленного титана в пространстве между витками противоточного индуктора, испаряют титан с поверхности расплавленной капли, обеспечивают унос паров металлического титана от расплавленной капли, их конденсацию в наночастицы и вынос горячих наночастиц титана в зону реакции, выше зоны реакции в поток инертного газа вводят водород и обеспечивают реакцию водорода с титаном в наночастицах титана в зоне реакции, после чего улавливают наночастицы гидрида титана фильтром.The technical result is achieved by the method of producing titanium hydride nanoparticles, in which, according to the invention, in a vertically oriented reactor with a countercurrent inductor, a continuous downward laminar flow of carrier gas is organized, a titanium wire is fed from above into the high-frequency field of the countercurrent inductor, the titanium wire is heated in a high-frequency field to its temperature melting and education at its end drops, suspend a drop of molten titanium in the space between the turns of the countercurrent induction tori, evaporate titanium from the surface of the molten droplet, provide the entrainment of metallic titanium vapors from the molten droplet, their condensation into nanoparticles and the removal of hot titanium nanoparticles into the reaction zone, hydrogen is introduced into the inert gas stream above the reaction zone and the hydrogen reacts with titanium in titanium nanoparticles to the reaction zone, after which titanium hydride nanoparticles are captured by the filter.
Осуществление заявляемого способа получения наночастиц гидрида, показано на фиг. 1. Внутри реактора - трубки Т из прозрачного термостойкого диэлектрического материала, например, кварца или стекла типа Пирекс организуют непрерывный нисходящий ламинарный поток газа-носителя 1. Сверху внутрь реактора Т вводят титановую проволоку. В высокочастотном поле противоточного индуктора И титановую проволоку разогревают до температуры плавления и получают на ее конце каплю расплавленного титана, каплю К расплавленного титана бесконтактно подвешивают внутри реактора в области между витками противоточного индуктора, где происходит испарение металлического титана с поверхности капли. Потоком газа-носителя непрерывно уносят пары титана от капли К. Ниже по потоку происходит конденсация паров титана в наночастицы, которые далее попадают в зону реакции ЗР. Выше зоны реакции в поток газа-носителя вводят водород, альтернативно, через ввод газа-носителя 1, например, в виде смеси с газом-носителем, через патрубок 2, расположенный выше капли, через патрубок 3, расположенный ниже капли. В зоне реакции ЗР водород реагирует с металлическим титаном в наночастицах до образования гидрида титана. Потоком газа-носителя уносят наночастицы гидрида титана из зоны реакции, улавливают фильтром и получают товарный продукт в виде нанопорошка гидрида титана в свободно-насыпном состоянии.The implementation of the proposed method for producing hydride nanoparticles is shown in FIG. 1. Inside the reactor, T tubes made of transparent heat-resistant dielectric material, for example, quartz or Pyrex glass, organize a continuous downward laminar flow of
Восполнение металла в испаряющейся капле осуществляют непрерывной подачей сверху титановой проволоки, в качестве газа-носителя используют инертный газ (например, аргон), а положение зоны реакции определяют температурой образования гидрида титана.Metal replenishment in the evaporating drop is carried out by continuous supply of titanium wire from above, an inert gas (for example, argon) is used as the carrier gas, and the position of the reaction zone is determined by the temperature of formation of titanium hydride.
Осуществление заявляемого способа получения нанопорошка гидрида титана поясняется следующими фигурами.The implementation of the proposed method for producing nanopowder of titanium hydride is illustrated by the following figures.
Фиг. 1. Схема устройства для получения нанопорошка гидрида титана. Т - реактор в виде трубки из диэлектрического материала, И - противоточный высокочастотный индуктор, К - капля расплавленного титана, ЗР - зона реакции (область образования гидрида титана), 1 - ввод газа-носителя или смеси газа-носителя с водородом, 2, 3 - патрубки для ввода водорода.FIG. 1. Scheme of a device for producing titanium hydride nanopowder. T - a reactor in the form of a tube made of a dielectric material, And - a countercurrent high-frequency inductor, K - a drop of molten titanium, ЗР - a reaction zone (region of titanium hydride formation), 1 - introduction of a carrier gas or a mixture of carrier gas with hydrogen, 2, 3 - nozzles for introducing hydrogen.
Фиг. 2. Характеристики нанопорошка гидрида титана, полученного заявляемым способом в условиях Примера 1. А - типичное изображение наночастиц гидрида титана в просвечивающем электронном микроскопе, Б - распределение наночастиц гидрида титана по размерам, В - дифрактограмма нанопорошка гидрида титана.FIG. 2. Characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained by the claimed method under the conditions of Example 1. A is a typical image of titanium hydride nanoparticles in a transmission electron microscope, B is the size distribution of titanium hydride nanoparticles, C is a diffraction pattern of titanium hydride nanopowder.
Пример 1Example 1
При осуществлении заявляемого способа титановую проволоку вводят в реактор со скоростью 1,4 г/час. В качестве реактора используют кварцевую трубку внутренним диаметром 14 мм с патрубком для ввода водорода, расположенным ниже положения капли расплавленного титана (патрубок 3 на фиг. 1). В качестве газа-носителя используют аргон. Абсолютное давление газа-носителя внутри реактора поддерживают равным 0,2 атм, при этом расход газа-носителя поддерживают равным 1143 норм. м3/сек, а расход водорода поддерживают равным 1312 норм, см3/мин.When implementing the proposed method, the titanium wire is introduced into the reactor at a speed of 1.4 g / h. As the reactor, a quartz tube with an inner diameter of 14 mm is used with a hydrogen inlet pipe located below the position of a drop of molten titanium (
Получаемый продукт представляет собой нанопорошок гидрида титана в свободно-насыпном состоянии. Характеристики полученного в условиях данного примера нанопорошка гидрида титана приведены на фиг. 2.The resulting product is a titanium hydride nanopowder in a free-bulk state. The characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained under the conditions of this example are shown in FIG. 2.
Измеренная по методу БЭТ (Брунауера-Эммета-Теллера) удельная поверхность полученного нанопорошка гидрида титана составляет 59.5 м2/г, что соответствует эффективному среднему диаметру частиц 27 нм. Средний диаметр наночастиц гидрида титана, вычисленный по результатам измерений размеров наночастиц на изображениях в электронном микроскопе в количестве 1500 штук, составляет 25 нм.The specific surface area of the obtained titanium hydride nanopowder measured by the BET method (Brunauer-Emmett-Teller) is 59.5 m 2 / g, which corresponds to an effective average particle diameter of 27 nm. The average diameter of titanium hydride nanoparticles, calculated from the results of measurements of the size of the nanoparticles in the images in an electron microscope in the amount of 1500 pieces, is 25 nm.
Пример 2Example 2
При осуществлении заявляемого способа титановую проволоку вводят в реактор со скоростью 1,4 г/час. В качестве реактора используют кварцевую трубку внутренним диаметром 14 мм с патрубком для ввода водорода, расположенным выше положения капли расплавленного титана (патрубок 2 на фиг. 1). В качестве газа-носителя используют аргон. Абсолютное давление газа-носителя внутри реактора поддерживают равным 0,2 атм, при этом расход газа-носителя поддерживают равным 1143 норм. м3/сек, а расход водорода поддерживают равным 100 норм, см3/мин.When implementing the proposed method, the titanium wire is introduced into the reactor at a speed of 1.4 g / h. As the reactor, a quartz tube with an inner diameter of 14 mm is used with a nozzle for introducing hydrogen located above the position of a drop of molten titanium (
Получаемый продукт представляет собой нанопорошок гидрида титана в свободно-насыпном состоянии. Характеристики полученного в условиях данного примера нанопорошка гидрида титана аналогичны характеристикам нанопорошка гидрида титана, полученного в условиях Примера 1.The resulting product is a titanium hydride nanopowder in a free-bulk state. The characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained under the conditions of this example are similar to the characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained under the conditions of Example 1.
Измеренная по методу БЭТ удельная поверхность полученного нанопорошка гидрида титана составляет 52 м2/г, что соответствует эффективному среднему диаметру частиц 31 нм.The specific surface area of the obtained titanium hydride nanopowder measured by the BET method is 52 m 2 / g, which corresponds to an effective average particle diameter of 31 nm.
Пример 3Example 3
При осуществлении заявляемого способа титановую проволоку вводят в реактор со скоростью 1,7 г/час. В качестве реактора используют кварцевую трубку внутренним диаметром 14 мм с патрубком для ввода водорода, расположенным ниже положения капли расплавленного титана (патрубок 3 на фиг. 1). В качестве газа-носителя используют аргон. Абсолютное давление газа-носителя внутри реактора поддерживают равным 0,4 атм, при этом расход газа-носителя поддерживают равным 2286 норм. м3/сек., а расход водорода поддерживают равным 1312 норм, см3/мин.In the implementation of the proposed method, the titanium wire is introduced into the reactor at a speed of 1.7 g / hour. As the reactor, a quartz tube with an inner diameter of 14 mm is used with a hydrogen inlet pipe located below the position of a drop of molten titanium (
Получаемый продукт представляет собой нанопорошок гидрида титана в свободно-насыпном состоянии. Характеристики полученного в условиях данного примера нанопорошка гидрида титана аналогичны характеристикам нанопорошка гидрида титана, полученного в условиях Примера 1.The resulting product is a titanium hydride nanopowder in a free-bulk state. The characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained under the conditions of this example are similar to the characteristics of the titanium hydride nanopowder obtained under the conditions of Example 1.
Измеренная по методу БЭТ удельная поверхность полученного нанопорошка гидрида титана составляет 51 м2/г, что соответствует эффективному среднему диаметру частиц 32 нм.The specific surface area of the obtained titanium hydride nanopowder measured by the BET method is 51 m 2 / g, which corresponds to an effective average particle diameter of 32 nm.
Приведенные примеры показывают, что при осуществлении изобретения получают нанопорошок гидрида титана в свободно-насыпном состоянии.The above examples show that in the implementation of the invention receive nanopowder of titanium hydride in a free-bulk state.
Осуществление заявляемого способа позволяет реализовать непрерывный процесс получения товарного продукта - нанопорошка гидрида титана в свободно-насыпном состоянии и тем самым решить поставленную задачу расширить технологические возможности способа и достичь технического результата.The implementation of the proposed method allows to implement the continuous process of obtaining a marketable product - titanium hydride nanopowder in a free-bulk state and thereby solve the task to expand the technological capabilities of the method and achieve a technical result.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014149206A RU2616920C2 (en) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014149206A RU2616920C2 (en) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014149206A RU2014149206A (en) | 2016-06-27 |
| RU2616920C2 true RU2616920C2 (en) | 2017-04-18 |
Family
ID=56195415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014149206A RU2616920C2 (en) | 2014-12-08 | 2014-12-08 | Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2616920C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2707596C2 (en) * | 2018-03-30 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method of producing titanium carbide nanopowder |
| RU2756555C1 (en) * | 2020-05-12 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method for producing iron carbide nanopowder |
| RU2770102C1 (en) * | 2020-12-28 | 2022-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method for producing iron carbide nanopowder |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU814432A1 (en) * | 1961-06-19 | 1981-03-23 | Gen Matvej Ya | Method of production of metal aerosols |
| JPH0867503A (en) * | 1994-08-30 | 1996-03-12 | Nisshin Steel Co Ltd | Production of hydrogenated titanium superfine particle |
| RU2208573C1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-20 | Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Titanium hydride production process |
| RU2385837C2 (en) * | 2008-02-28 | 2010-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Method of producing titanium hydride and device for realising said method |
| US20110171116A1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-07-14 | Advance Materials Products, Inc., USA | Continuous and semi-continuous process of manufacturing titanium hydride using titanium chlorides of different valency |
| RU2432231C2 (en) * | 2009-07-08 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Бардаханов" | Method of producing metal nano-sized powders |
-
2014
- 2014-12-08 RU RU2014149206A patent/RU2616920C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU814432A1 (en) * | 1961-06-19 | 1981-03-23 | Gen Matvej Ya | Method of production of metal aerosols |
| JPH0867503A (en) * | 1994-08-30 | 1996-03-12 | Nisshin Steel Co Ltd | Production of hydrogenated titanium superfine particle |
| RU2208573C1 (en) * | 2002-01-23 | 2003-07-20 | Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Titanium hydride production process |
| RU2385837C2 (en) * | 2008-02-28 | 2010-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН | Method of producing titanium hydride and device for realising said method |
| RU2432231C2 (en) * | 2009-07-08 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Бардаханов" | Method of producing metal nano-sized powders |
| US20110171116A1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-07-14 | Advance Materials Products, Inc., USA | Continuous and semi-continuous process of manufacturing titanium hydride using titanium chlorides of different valency |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2707596C2 (en) * | 2018-03-30 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method of producing titanium carbide nanopowder |
| RU2756555C1 (en) * | 2020-05-12 | 2021-10-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method for producing iron carbide nanopowder |
| RU2770102C1 (en) * | 2020-12-28 | 2022-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) | Method for producing iron carbide nanopowder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014149206A (en) | 2016-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7964172B2 (en) | Method of manufacturing high-surface-area silicon | |
| JP2980987B2 (en) | Method and apparatus for producing nanostructured materials | |
| JP5713530B2 (en) | Production methods for refractory metals, tantalum metals and niobium metals | |
| US7150776B2 (en) | Metalothermic reduction of refractory metal oxides | |
| US20150210558A1 (en) | Process for Producing Magnesium Oxide | |
| TWI778941B (en) | Silica to high purity silicon production apparatus and rocess | |
| US20120068124A1 (en) | Process for the Production of Carbon Graphenes and other Nanomaterials | |
| IL198900A (en) | High purity powders produced by metalothermic reduction of refractory metal oxides and capacitors made thereof | |
| NO174694B (en) | Apparatus and method for producing uniform, fine, boron-containing ceramic powders | |
| RU2616920C2 (en) | Method for obtaining the nanopowder of titanide hydride | |
| CN112981278A (en) | High-energy-content amorphous alloy material, and preparation method and application thereof | |
| AU2001296793A1 (en) | Metalothermic reduction of refractory metal oxides | |
| JP2004091843A (en) | Manufacturing method of high purity high melting point metal powder | |
| JP2004124257A (en) | Metal copper particulate, and production method therefor | |
| KR20180136941A (en) | METHOD FOR PRODUCING METAL POWDER | |
| RU2432231C2 (en) | Method of producing metal nano-sized powders | |
| WO2007061012A1 (en) | Metal, process for producing metal, metal producing apparatus and use thereof | |
| Park et al. | Metallic niobium powder reduced by atmospheric magnesium gas with niobium pentoxide powder | |
| RU2397046C2 (en) | Method for production of submicron and nano-particles of aluminium having dense dielectric coating | |
| RU2354503C1 (en) | Method of sodium diboride nano-powders production | |
| Grabis et al. | Plasmochemical process for the production of niobium and tantalum nanopowders. | |
| RU2629121C1 (en) | Method for titanium silicides production | |
| Zhang et al. | Preparation of submicron metastable spherical β-Bi2O3 particles by self-propagating high-temperature synthesis method | |
| Shahsavari et al. | Cryomilling-Assisted Synthesis of Nanostructured Silicon | |
| RU2777468C1 (en) | Method for obtaining nanocrystalline silicon powder |