用于生產(chǎn)納米級碳的膠體溶液的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 所提供的用于生產(chǎn)穩(wěn)定的納米級碳的膠體溶液的方法設(shè)及納米技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 從科學(xué)和應(yīng)用的觀點（獨特的電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、機(jī)械、巧光性質(zhì)、催化活性等）來 看，納米結(jié)構(gòu)化材料的制備和研究受到很大關(guān)注。
[0003] 基本興趣點設(shè)及主題物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征W及物理和化學(xué)特征（大量的游離碳鍵、致 密結(jié)構(gòu)）。
[0004] 納米流體的性質(zhì)（例如熱導(dǎo)率、密度、粘度、電導(dǎo)率、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)）的研究受到 很大關(guān)注。
[0005] 納米顆粒的獨特性質(zhì)是W下多種應(yīng)用研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)：
[0006] ?先進(jìn)材料技術(shù)，藥理學(xué)；
[0007] ?場致電子發(fā)射的唯一來源；
[0008] ?最微型電子設(shè)備的金屬和半導(dǎo)體特征；
[0009] ?主題物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)允許將其用作液體和氣體（例如氨）的容器。
[0010] 近來，設(shè)及生產(chǎn)用于降低金屬和電介質(zhì)的二次發(fā)射的系數(shù)的納米結(jié)構(gòu)化碳的 薄膜、生長金剛石膜和玻璃、制備穩(wěn)定的膠體溶液（太陽能的吸附劑）的工作引起極 大關(guān)注(Robert Taylor, Sylvain Coulombe, Todd Otanicar, Patrick Phelan, Andrey Gunawan4, Wei Lv4, Gary Rosengarten,Ravi Prasher and Himanshu Tyagi. Small particles, big impacts:A review of the diverse applications of nanofluids). J. Appl. Phys. 113, 011301 (2013)。
[0011] 形成納米顆粒有各種方法（物理、化學(xué)、組合方法等）：
[001引 ?電弧，
[0013] ?重復(fù)脈沖的電弧和火花，
[0014] ?液體和氣體的激光消融，
[0015] ?化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的沉積，
[0016] ?在金屬催化劑存在下的熱解，
[0017] ?導(dǎo)體的電爆炸，
[0018] ?復(fù)合粉末在燃燒中的催化轉(zhuǎn)化，等。
[0019] 然而，大多數(shù)所述方法耗時、昂貴并且復(fù)雜，通常，它們要求有用產(chǎn)物與雜質(zhì)分離。 碳納米結(jié)構(gòu)是集聚碳的亞穩(wěn)態(tài)，它們僅可在偏離熱力學(xué)平衡的情況下獲得。因此，對許多最 近的研究引起很大關(guān)注，在所述研究中，液體中的脈沖放電用于合成碳、金屬和各種組合物 的納米顆粒。由于高溫放電通道中的碳原子化及其隨后的快速冷卻（"澤滅"），短脈沖的 放電有助于形成碳的亞穩(wěn)相。
[0020] 由于W下許多特征，所述方法被認(rèn)為是有前景的：
[0021] ?裝置和進(jìn)料物質(zhì)的簡易性和低成本；
[0022] ?規(guī)?；摵铣煞磻?yīng)的可能性；
[0023] ?獲得不同類型的納米顆粒的可能性；
[0024] ?液體周圍等離子體限制了其膨脹且提高了溫度和壓力，運(yùn)有利于放熱化學(xué)反應(yīng)。
[0025] 液體中的脈沖放電可兩種方式實現(xiàn)。在一種情況中，脈沖能量應(yīng)>AJ，而在 第二種情況中，其不超過數(shù)焦耳。第一種情況需要相當(dāng)笨重且復(fù)雜的裝置，反應(yīng)器經(jīng)受相當(dāng) 大的沖擊荷載。而且，因此獲得微米至納米級的顆粒，并且通過使用不同技術(shù)分離它們需要 額外的努力。石墨電極是像水運(yùn)樣的液體中的碳源。當(dāng)使用有機(jī)液體時，它成為碳源。
[0026] 在有機(jī)液體（特別是乙醇）中的碳納米顆粒合成的研究結(jié)果記載于W下文 章中：（J〇u;rnalofPhysicsD:AppliedPhysics,43(32).P.323001.Mariotti'Dand S曰nk曰r曰n,RM(2010)Microplasmasforn曰nomaterialssynthesis)〇
[0027] 最接近本發(fā)明方法的是在W下文章中所述的方法（Pulseddischarge productionofη曰no-曰ndmicroparticlesineth曰nol曰ndtheirch曰r曰cteriz曰tion. ParkanskyN. ,AlterkopB. ,BoxmanRL,GoldsmithS. ,BarkayZ. ,LereahY.Power Technology. 2005.T. 150.No.l.pp36-41)，其中使用在乙醇中的脈沖電弧放電。兩個電 極放置于乙醇（石墨、儀、鶴等）中，脈沖重復(fù)頻率為f=lOOHz，電流和電壓分別為I= 100-200A，U= 20V，脈沖持續(xù)時間為τ= 30μS，從而形成微米至納米級的顆粒。
[002引該方法的缺點是膠體溶液的不穩(wěn)定性（很快沉淀），寬范圍的顆粒大小，W及在乙 醇中相當(dāng)復(fù)雜的電擊穿步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029] 本發(fā)明的技術(shù)效果是簡易性和低成本，獲得不同類型的納米顆粒的可能性。此外， 應(yīng)注意本發(fā)明技術(shù)方案的下列優(yōu)點：
[0030] ?利用在電極間空隙中注入惰性氣體的多電極高壓脈沖放電能夠在乙醇中形成穩(wěn) 定的納米結(jié)構(gòu)化膠體溶液。存在比能量沉積（J/cm3)的某一闊值，高于所述比能量沉積時 膠體溶液變得穩(wěn)定且溶液的性質(zhì)在超過一年內(nèi)不改變。
[0031] ?在較低的比能量沉積時，沉淀和液體澄清在2~3天內(nèi)發(fā)生。
[003引?如果將溶液加熱至沸點，然后冷卻，則膠體性質(zhì)不改變。
[0033] ?當(dāng)電流通過膠體溶液（電泳）時，沉淀和液體澄清發(fā)生。同時，在正極處形成納 米結(jié)構(gòu)化碳膜。
[0034] ?納米顆粒尺寸取決于比能量沉積。接近闊值比能量沉積時，該尺寸為5皿至 lOnm，且它們具有無序碳的形式。
[0035] ?可通過蒸發(fā)，或利用電泳而將納米粉末從膠體溶液中分離。
[0036] 通過如下進(jìn)行用于生產(chǎn)納米級碳的膠體溶液的方法來實現(xiàn)技術(shù)效果：將有機(jī)液體 送至含有電極的室中，將惰性氣體注入電極間空隙，高溫等離子體通道在氣泡中形成，從而 使碳原子原子化，隨后快速冷卻。
[0037] 如果超過液體中比能量沉積的闊值，則形成穩(wěn)定的膠體溶液。
[0038]乙醇可用作有機(jī)液體。
【附圖說明】
[0039] 附圖顯示用于獲得膠體溶液的設(shè)備。
【具體實施方式】
[0040]用于生產(chǎn)穩(wěn)定的納米級碳的膠體溶液的本發(fā)明的方法基于實施在注入有機(jī)液體 (乙醇）中的惰性氣體的氣泡中的脈沖高壓放電。如上所述，在乙醇中的脈沖放電的特征為 高溫通道中的碳原子化，隨后快速冷卻。利用注入電極間空隙的氣體的高壓多電極放電設(shè) 備的使用（由于等離子體通道的特殊構(gòu)成及其冷卻）帶來了生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)、碳納米流體的 新的可能性。
[0041] 它們使用介電室1，多電極放電設(shè)備3(氣體注入多電極放電設(shè)備中的電極間空隙 中）在放置乙醇2(其部分填充介電室）的介電室的內(nèi)部。介電室1設(shè)置有用于氣體注入 的設(shè)備、用于填充和沖洗有機(jī)液體（乙醇）的系統(tǒng)。放電設(shè)備連接至高壓脈沖發(fā)生器12。 該設(shè)備包括脈沖發(fā)生器5、羅氏線圈（Rogowskicoil)6、分壓器7、攝譜儀8、光波導(dǎo)9、用于 沖洗液體的管道10、排氣管13。
[0042] 所述設(shè)備如下操作。
[0043] 將惰性氣體通過管道4注入放電設(shè)備3中。使用管道13將其從反應(yīng)器中除去。之 后，反應(yīng)器1用液體部分填充W完全覆蓋放電設(shè)備3。將具有設(shè)定值扣《20kV)和脈沖重 復(fù)頻率lOOHz)的高電壓供應(yīng)至放電設(shè)備的端電極。如果W連續(xù)模式操作反應(yīng)器，貝U 管道10提供必要的液體流速。脈沖放電在填充有酒精蒸汽的氣泡11中出現(xiàn)。高溫等離子 體通道在每一個電極間空隙中形成，其持續(xù)數(shù)微秒且具有下列參數(shù)：較重顆粒的溫度為T =4, 000~5, 000K，電子溫度為Te=1~1. 5eV，帶電顆粒的濃度η=(2~3)·10"cm3， 等離子體通道的直徑為幾百微米。單脈沖能量沉淀為《2~3J。
[0044] 碳原子的原子化發(fā)生在等離子體通道中。在電流脈沖終止后，等離子體通道的快 速膨脹發(fā)生，運(yùn)導(dǎo)致其快速冷卻廣澤滅"）并形成非平衡態(tài)碳納米結(jié)構(gòu)，從而確定膠體溶液 的特征、性質(zhì)。放電通道冷卻的典型時間為數(shù)微秒、幾十微秒。等離子體通道的加熱和冷卻 的動力學(xué)顯著地影響納米顆粒的參數(shù)。
[0045] 經(jīng)處理的液體中的比能量沉積對于生產(chǎn)膠體溶液是必不可少的。在缺少連續(xù)流模 式的情況下，比能量沉積丫如下確定：
[0046]
[0047]W為單脈沖能量沉積，f為脈沖的重復(fù)頻率，V為液體體積，t為液體處理的時間。
[0048] 在連續(xù)流模式的情況下：
[0049]
[0050]U為流速/時間單位（cmVs)。隨著液體處理的時間（比能量沉積）增加，由于形 成碳納米顆粒致使液體變暗，并且當(dāng)超過比能量沉積的某一闊值時，形成穩(wěn)定的膠體溶液 (其在超過一年內(nèi)不沉淀）。在比能量沉積的較低值時，碳在1~2天內(nèi)沉淀于容器的底部， 液體變得澄清。
[0051] 納米顆粒的參數(shù)通過不同方法來研究：RS(拉曼散射）、化S(動態(tài)光散射）、X射線 衍射、電子顯微鏡、元素配方等。
[0052] 我們注意到，當(dāng)將膠體溶液被加熱至接近沸點的溫度并隨后冷卻時，溶液保持穩(wěn) 定。比能量沉積的闊值取決于電極材料。
[0053] 通過蒸發(fā)膠體溶液而獲得的納米顆粒粉末的元素配方如下：C79.05 % ;0 19. 57%，其它所檢測到的元素為Si;K;Ti;化；Fe。氧由于其從空氣中的吸收而出現(xiàn)。
[0054] 工巧連用忡
[00巧]運(yùn)些結(jié)果可用于不同應(yīng)用，具體地，用于生產(chǎn)涂敷金屬W降低二次電子發(fā)射的系 數(shù)的碳膜，用于生長金剛石膜和玻璃的技術(shù)，用于生產(chǎn)吸收太陽福射的元件等。
【主權(quán)項】
1. 一種用于生產(chǎn)納米級碳的膠體溶液的方法，其特征在于，將有機(jī)液體送至含有電極 的室中，將惰性氣體注入電極間空隙中，高溫等離子體通道在氣泡中形成，從而使碳原子原 子化，隨后快速冷卻。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述液體中的比能量沉積超過閾值時，形 成穩(wěn)定的膠體溶液。3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用乙醇作為所述有機(jī)液體。
【專利摘要】本發(fā)明方法的技術(shù)效果為簡易性、低成本和生產(chǎn)不同類型的納米顆粒的可能性。該效果由于如下進(jìn)行用于生產(chǎn)納米級碳的膠體溶液的方法而實現(xiàn)：將有機(jī)液體送至含有電極的室中，將惰性氣體注入電極間空隙中，高溫等離子體通道在氣泡中形成，從而使碳原子原子化，隨后快速冷卻。
【IPC分類】B01J13/00, C01B31/02, B82Y40/00
【公開號】CN105339299
【申請?zhí)枴緾N201380077635
【發(fā)明人】A·M·安皮洛夫, E·M·巴爾胡達(dá)羅夫, I·A·科斯基, M·A·米薩克揚(yáng)
【申請人】等離子-Sk有限責(zé)任公司
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2013年6月19日
【公告號】CA2915809A1, EP3018098A1, US20160159650, WO2014204340A1