[发明专利]液相电弧制备超细颗粒和一维纳米材料的方法

说明书

(1)技术领域

本发明涉及一种微米或纳米级的球形金属、非金属及其化合物颗粒和一维纳米材料的制备方法。

(2)背景技术

超细材料由于粒度细、分布窄、质量均匀，因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解速度快、烧结体强度大以及独特的电、磁、光学性等优点，因而广泛应用于许多高新技术领域。在材料领域中的应用，如磁性材料、隐身隐形材料、高耐磨及超塑材料、新型冶金材料及建筑材料等；在化工领域的应用包括超细催化剂、高性能高附着力的新型油漆和涂料以及造纸、塑料及橡胶产品中的固体填料等；在生物医药领域中，利用超细颗粒进行细胞分离、细胞染色，以及利用超颗粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等；此外，超细材料还在日用化工领域得到应用，如在护肤防晒膏中，加入超细材料具有良好的防紫外线作用。

目前，超细材料的制备主要有两种途径：一是可从大块材料开始，经过最大限度的分割来实现；二是从原子或小团簇开始，经历成核-生长-中止的过程来实现。常用的制备方法有物理法、化学法和机械粉碎法。1)物理法的基本原理是将材料在真空中加热蒸发，蒸发出的原子或小团簇在低压惰性气体介质中冷却而形成超细材料。此类方法能严格控制蒸发室中的物料成分，得到表面纯净的超细材料，而且方法的适应性较强(适于多种金属纳米材料的制备)，但是，往往要求复杂的设备和苛刻的条件，成本高，产率低，且难以控制纳米团簇的生长过程。2)化学制备法是通过适当的化学反应途径获得超细材料，如化学还原法、溶胶-凝胶法、水热法等，此类方法成本低，可以实现许多超细材料的制备和尺寸控制，但由于多种反应前躯体、配体的引入和反应副产物的产生，不易得到纯净的目标产物，也不适于易氧化的超细材料的制备。3)机械粉碎法是将大块物料放入高能球磨机或气流磨中，利用介质与物料之间的相互研磨和冲击使物料细化，得到的产物形状不规则，表面缺陷多，具有较高的活性，但由于在粉碎过程中存在固-气界面，使不纯物进入晶界，导致通过该法制备的超细材料存在大量孔隙，且很难避免超细材料产物被机械材料(如钢珠、球磨罐)的污染。

本发明的目的在于创立一种在多种不同的液相电弧反应体系中进行电弧反应制备超细颗粒的方法，用于微米或纳米级的球形金属、非金属及其化合物颗粒和一维纳米材料的制备。

本发明所涉及的液相电弧反应体系为惰性液体-金属/非金属电极反应体系或反应液体-金属/非金属电极反应体系，前者以消耗电极、惰性液体保护的方式来实现球形金属或非金属超细颗粒或一维材料的制备，后者以液态反应物在电弧引发下发生化学反应为基础来实现金属/非金属化合物纳米材料的合成。

当反应体系内为惰性液体-金属/非金属电极体系时，反应器内盛装液氮、液氦或高纯水等不参与反应且不导电(或低导电率)的惰性液体，由于电弧的高温作用，电极材料将从尖端不断熔出，并为周边的惰性液体束缚在微囊中迅速冷却，形成球形超细颗粒或一维纳米材料，同时，随着电极的消耗，尖端距离需要依据反应进程而调整。

当反应体系为反应液体-金属/非金属电极体系时，不导电(或低导电率)的液体既充当反应起始物，又起到反应束缚和冷却的作用。一般地，电弧的高能作用将使电弧(电极)周围的液态反应物的化学键断裂，形成各种中间态原子或小团簇，并在液态体系的束缚和急冷下重新组合，经过成核、生长等步骤，形成稳定的超细材料。选择不同的反应体系，可以获得不同组成的球形超细颗粒或一维纳米材料。

操作步骤如下：

1)准备一套适用于液相电弧制备超细材料的反应装置，包括一个反应器和一对嵌合于该反应容器上的电极。

2)在该反应器中加入惰性液体或反应液体，使电极的前端浸没在液体中。

3)调节两电极的尖端距离为1～10mm。

4)在电极两端施加电压至浸没于液体中的电极前端发生液相电弧反应，产生超细颗粒或一维纳米材料。

5)维持液相电弧反应，调整电极间距至获得足够量的反应产物后，切断电源，停止反应。

6)过滤反应产物，收集固体组分，即得到目标物质(超细颗粒或一维纳米材料)。

所说的反应器最好为绝缘绝热材料制作，如玻璃材料；电极呈V字形插入反应器中，电极前端的间距可以精细调节。

调节两电极的尖端距离最好为2mm。

为了使浸没于液体中的电极前端产生液相电弧反应，产生超细颗粒或一维纳米材料，在电极两端施加电压20～12000V(最佳10000V)、频率50～1000Hz、电流100mA～20A的电源。