一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法及装置

摘要

本发明公开了一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法及装置，包括以下步骤：将金属棒的一端端面接触石墨棒的一端端面并浸入液氮中；金属棒接入直流电源一个电极，石墨棒接入直流电源另一电极；将石墨棒和金属棒分离至实验间隔距离，石墨棒和金属棒之间产生电弧，在液氮或在液氮中引入的气体氛围下维持电弧，直至达到实验要求时间，得到含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮，所述石墨棒的一端端面和金属棒的一端端面始终位于液氮的液面之下；在含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮中加入收集剂，待液氮挥发完毕，将收集剂进行烘干得到碳包覆金属纳米颗粒。本发明操作更加简单，生产效率高，成本更低。

权利要求

1.一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属棒（10）的一端端面接触石墨棒（6）的一端端面并浸入液氮（7）中；

金属棒（10）接入直流电源（1）的一个电极，石墨棒（6）接入直流电源（1）的另一电极；

将石墨棒（6）和金属棒（10）分离至实验间隔距离，石墨棒（6）和金属棒（10）之间产生电弧，通过石英管（5）在液氮中引入气体，在液氮中引入的气体氛围下维持电弧，直至达到实验要求时间，得到含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮（7），所述石墨棒（6）的一端端面和金属棒（10）的一端端面始终位于液氮（7）的液面之下；

在含有碳包覆金属纳米颗粒（8）的液氮（7）中加入收集剂，待液氮（7）挥发完毕，将收集剂进行烘干得到碳包覆金属纳米颗粒（8）；

所述气体为氦气、氖气、氩气、氙气、二氧化碳或甲烷。

2.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，在将金属棒（10）的一端端面接触石墨棒（6）的一端端面前，还包括以下步骤：打磨金属棒（10）表面；

通过清洗剂冲洗金属棒（10）和石墨棒（6）的表面。

3.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，所述金属棒（10）的材质为金、银、铜、铁、镍、钴、铝、镁、锌或钛。

4.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，所述直流电源（1）的电流在10 1000A之间。

~

5.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，所述石墨棒（6）和金属棒（10）分离的实验间隔距离为0 30mm。

~

6.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，所述收集剂为去离子水、无水乙醇或十二烷。

7.根据权利要求1所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，其特征在于，烘干收集剂的温度为60‑100℃。

8.实现权利要求1‑7任意一项所述的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法的装置，其特征在于，包括容器、石英管（5）和直流电源（1），所述容器内盛放有液氮（7），所述直流电源（1）的正极连接下导电夹（9），所述下导电夹（9）用于夹持金属棒（10），所述直流电源（1）的负极连接上导电夹（3），所述上导电夹（3）用于夹持石墨棒（6），上导电夹（3）在步进电机（2）的作用下能够进行运动；

所述石英管（5）套设在石墨棒（6）上，所述石英管（5）的一端端面为开口结构，所述石英管（5）的另一端端面封口且和石墨棒（6）连接，所述石英管（5）的侧壁连通有支管（4），所述支管（4）上通入有气体；

在初始状态下，所述金属棒（10）的一端端面接触石墨棒（6）的一端端面，在实验过程中，所述金属棒（10）的一端端面和石墨棒（6）的一端端面不接触；

所述金属棒（10）的一端端面和石墨棒（6）的一端端面始终位于石英管（5）的内腔中。

说明书

一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料制造领域，具体属于提供一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法及装置。

背景技术

[0002] 近年来，碳包覆金属纳米颗粒作为一种核壳结构的纳米材料受到了研究人员的广泛关注，其在功能磁性材料、生物医学、吸波材料、量子器件、燃料电池等方面有着巨大应用前景。

[0003] 在磁记录介质领域，碳包覆金属纳米材料随着磁性颗粒的粒径从微米级向纳米级改进，磁记录介质的磁记录密度也得到了极大的提升。在生物医学领域，碳包覆金属纳米颗粒凭借着其纳米级的粒径和生物组织具有良好的相容性，同时碳包覆作为一种安全无毒的包覆材料，可以有效避免金属纳米颗粒对于组织细胞的不利影响。在燃料电池领域，碳包覆纳米材料可以作为良好的阳极材料。因此对于碳包覆金属纳米颗粒的需求愈发迫切。

[0004] 碳包覆金属纳米颗粒制备的方法主要有电爆炸法、球磨法、气体电弧法、水热法、化学气相沉积法、离子束法和激光法等。中国专利CN2019109480083公开了一种通过将九水合硝酸铁和有机碳源及乙二醇封入球磨罐中，高能球磨来制备碳包覆金属纳米材料的方法。专利CN201810379138.5公开了一种通过对于小分子金属有机盐高温加热制备超薄碳包覆金属纳米颗粒的方法。

[0005] 现有的制备方法如气体电弧法和电爆炸法需要复杂的真空设备，球磨法的工艺参数难以调控，且制备副产物较多，水热法化学气相沉积法、激光法和离子束法等需要较为昂贵的实验设备且产率较低，仅适合实验室制备，在实际应用中存在较大局限性。

发明内容

[0006] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法及装置，解决目前制备碳包覆金属纳米材料操作复杂，制备设备要求高，成本较高和产率低的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

[0008] 将金属棒的一端端面接触石墨棒的一端端面并浸入液氮中；

[0009] 金属棒接入直流电源一个电极，石墨棒接入直流电源另一电极；

[0010] 将石墨棒和金属棒分离至实验间隔距离，石墨棒和金属棒之间产生电弧，在液氮或在液氮中引入的气体氛围下维持电弧，直至达到实验要求时间，得到含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮，所述石墨棒的一端端面和金属棒的一端端面始终位于液氮的液面之下；

[0011] 在含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮中加入收集剂，待液氮挥发完毕，将收集剂进行烘干得到碳包覆金属纳米颗粒。

[0012] 进一步的，在将金属棒的一端端面接触石墨棒的一端端面前，还包括以下步骤：

[0013] 打磨金属棒表面；

[0014] 通过清洗剂冲洗金属棒和石墨棒的表面。

[0015] 进一步的，所述金属棒的材质为金、银、铜、铁、镍、钴、铝、镁、锌或钛。

[0016] 进一步的，所述直流电源的电流在10～1000A之间。

[0017] 进一步的，所述石墨棒和金属棒分离的实验间隔距离为0～30mm。

[0018] 进一步的，所述气体为氦气、氖气、氩气、氙气，二氧化碳或甲烷。

[0019] 进一步的，所述收集剂为去离子水，无水乙醇或十二烷。

[0020] 进一步的，烘干收集剂的温度为60‑100℃。

[0021] 本发明还提供一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法的装置，包括容器、石英管和直流电源，所述容器内盛放有液氮，所述直流电源的正极连接下导电夹，所述下导电夹用于夹持金属棒，所述直流电源的负极连接上导电夹，所述上导电夹用于夹持石墨棒，上导电夹在步进电机的作用下能够进行运动；

[0022] 所述石英管套设在石墨棒上，所述石英管的一端端面为开口结构，所述石英管的另一端端面封口且和石墨棒连接，所述石英管的侧壁连通有支管，所述支管上通入有气体；

[0023] 在初始状态下，所述金属棒的一端端面接触石墨棒的一端端面，在实验过程中，所述金属棒的一端端面和石墨棒的一端端面不接触；

[0024] 所述金属棒的一端端面和石墨棒的一端端面始终位于石英管的内腔中。

[0025] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0026] 本发明提供了一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，采用金属棒和石墨棒作为电极，在液氮中或者在液氮中通入气体，金属棒和石墨棒在气体氛围中通过接触起弧的方式烧蚀阴阳两个电极，电弧等离子体中的碳粒子和金属粒子在极高的温度梯度作用下逸出高温生长区，迅速凝结成核，最终形成碳包覆的金属纳米颗粒。同时采用液氮创造的极冷环境，可以在电弧周围创造极高的温度梯度，有利于生产的纳米颗粒快速的逸出高温生长区，避免纳米颗粒粒径的不断扩大，生产得到的碳包覆纳米颗粒粒径分布比较狭窄。本发明中的制备方法在液氮中创造气体环境可以避免采用特殊设备来实现真空环境的创造和保持，从而省去了真空环境的创造和保持设备的高昂费用，制造成本更低。本发明中的制备方法可以在液氮中长时间连续制备，避免了较为常用的金属丝电爆炸法需要更换金属丝频繁放气的抽真空的不足，操作更加简单，生产效率高。

[0027] 进一步的，在金属棒和石墨棒进行接触前，对金属棒和石墨棒进行处理，从而避免金属棒和石墨棒表面的油污氧化层等对于制备过程产生不利影响。

[0028] 进一步的，金属棒的类型可以对于多种金属纳米颗粒进行制备，适用范围广。

[0029] 进一步的，通过调控直流电源能够有效的对于纳米颗粒粒径分布进行调控，从而满足客户对于纳米颗粒粒径的特异性要求。

[0030] 进一步的，石墨棒和金属棒分离的距离有利于电弧的稳定维持，从而提高纳米颗粒的生产效率。

[0031] 本发明还提供一种实现液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法的装置，其通过金属棒和石墨棒作为阴阳电极，液氮放入烧杯中，石英管套设在石墨棒上，在石英管上通入气体，使石墨棒和金属棒之间的电弧处于气体保护之中，整个装置简单方便，避免了传统方法的高昂的设备费用与复杂的实验装置，适宜进行碳包覆金属纳米颗粒的规模化生产。

附图说明

[0032] 图1为本发明的结构示意图；

[0033] 图2为实施例1制得的碳包覆铝纳米颗粒的XRD图；

[0034] 图3为实施例1制得的碳包覆铝纳米颗粒的HRTEM图；

[0035] 附图中：1‑直流电源，2‑步进电机，3‑上导电夹，4‑支管，5‑石英管，6‑石墨棒，7‑液氮，8‑碳包覆金属纳米颗粒，9‑下导电夹，10‑金属棒，11‑运动部件，12‑传动臂，13‑步进电机支撑架。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

[0037] 本发明提供一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法，通过在液氮中创造气体环境，并在气体的保护下通过电弧烧蚀来制备碳包覆金属纳米材料的方法，该方法能够避免使用昂贵的真空设备，同时液氮创造的极冷环境可以提供极大的温度梯度，避免碳包覆金属纳米颗粒在高温生长区长时间滞留，从而得到平均粒径更小的碳包覆金属纳米颗粒。

[0038] 在本实施例中，本发明的步骤如下：

[0039] 将金属棒10的一端端面接触石墨棒6的一端端面并浸入液氮7中；

[0040] 金属棒10接入直流电源1的一个电极，石墨棒6接入直流电源1的另一电极；

[0041] 将石墨棒6和金属棒10分离至实验间隔距离，石墨棒6和金属棒10之间产生电弧，在液氮或在液氮中引入的气体氛围下维持电弧，直至达到实验要求时间，得到含有碳包覆金属纳米颗粒的液氮，所述石墨棒6的一端端面和金属棒10的一端端面始终位于液氮7的液面之下；

[0042] 在含有碳包覆金属纳米颗粒8的液氮7中加入收集剂，待液氮7挥发完毕，将收集剂进行烘干得到碳包覆金属纳米颗粒8。

[0043] 在本实施例中，阳极采用金属棒10，其中金属棒10包括，金、银、铜、铁、镍、钴、铝、镁、锌或钛等。阴极采用石墨电极，作为碳包覆的碳源，在金属棒10和石墨棒6在液氮7通过接触起弧的方式烧蚀阴阳极且液氮7中通入有气体，创造液氮7中气体氛围，电弧发生在气体保护下，电弧等离子体中的碳离子和金属离子在极高的温度梯度作用下逸出高温生长区，迅速凝结成核，最终形成碳包覆的金属纳米颗粒。

[0044] 优选的，在电弧放电结束后向液氮中加入收集剂，待液氮7挥发完毕后，碳包覆的金属纳米颗粒被收集在收集剂中。收集剂为各类有机无机溶剂，包括去离子水、无水乙醇或十二烷等。

[0045] 在本实施例中，气体为氦气、氖气、氩气、氙气、二氧化碳或甲烷；直流电源作为激励源维持直流电弧，电弧电流控制在10～1000A。

[0046] 如图1所示，在本发明的另一实施例中，还提供一种实现上述步骤的一种液氮中电弧制备碳包覆金属纳米颗粒的方法的装置，包括直流电源1、步进电机2、上导电夹3、支管4、石英管5、石墨棒6、液氮7、下导电夹9和金属棒10。具体的，烧杯内盛放有液氮7，直流电源1的正极连接下导电夹9，通过下导电夹9夹持金属棒10，金属棒10浸入液氮7中；直流电源1的负极连接上导电夹3，通过上导电夹3夹持石墨棒6，其中，初始状态下，金属棒10的一端端面接触石墨棒6的一端端面并将金属棒10和石墨棒6接触的棒体浸入液氮7中，在实验过程中，步进电机2通过步进电机支撑架13支撑，通过步进电机2驱动运动部件11，运动部件11通过传动臂12带动石墨棒6运动，将金属棒10和石墨棒6拉开，金属棒10和石墨棒6之间产生电弧，其中金属棒10和石墨棒6接触起弧的区域始终在气体的保护中维持在液氮7液面下；

[0047] 进一步的，石英管5套设在石墨棒6上，石英管5的一端端面为开口结构，石英管5的另一端端面为封口结构，石英管5的另一端端面和石墨棒6连接，石英管5的侧壁连通有支管4，支管4上通入有气体，在液氮7中通过石英管5通入气体创造液氮7中的气体氛围，电弧发生在石英管5中的气体保护下。

[0048] 在本实施例中，石英管5的直径为20mm，

[0049] 具体的，通过本装置进行制备碳包覆金属纳米颗粒的方法如下：

[0050] 步骤一：将金属棒10通过砂纸进行打磨，然后将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用清洗剂冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用另一清洗剂将前述清洗剂冲洗干净。

[0051] 步骤二：将金属棒10夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极，将阴阳极和和石英管5置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮7液面之下，通过石英管5上的支管4通入气体。

[0052] 步骤三：开启直流电源1，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开至实验间隔距离，维持电弧稳定一段时间。

[0053] 步骤四：实验结束后，向液氮7中加入收集剂；待液氮7挥发完毕后，碳包覆金属纳米颗粒8遗留在未挥发的收集剂中，将含有碳包覆铝纳米颗粒8的无水乙醇在鼓风干燥箱60～100摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆铝纳米颗粒。

[0054] 具体的，实验间隔距离为0‑30mm。

[0055] 实施例1

[0056] 步骤一、将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用无水乙醇冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用去离子水将无水乙醇冲洗干净。石墨棒6选用直径6mm，纯度为99.9％的高纯石墨棒。金属棒10选用纯度为99.7％的铝棒，直径为12mm，清洗前先用砂纸将铝棒表面氧化层打磨去除。

[0057] 步骤二、将铝棒夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极。

[0058] 步骤三、通过石英管5向液氮中通入的气体为氩气；将阴阳极和石英管5置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮液面之下。

[0059] 步骤四、将直流电源1电流设置为10A，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开一定的间距5mm，维持电弧稳定60min。

[0060] 步骤五、实验结束后，向液氮7中加入收集剂无水乙醇，待液氮7挥发完毕后，碳包覆铝纳米颗粒8遗留在未挥发的无水乙醇中。将含有碳包覆铝纳米颗粒8的无水乙醇在鼓风干燥箱60摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆铝纳米颗粒。

[0061] 如图2所示为上述条件下制备的碳包覆铝纳米颗粒的XRD谱图，可以看出铝的衍射峰分别为38.5°(111)、44.76°(200)、65.1°(220)、78.23°(311),82.42°(222)和碳的衍射峰26.57°(002)，证明了产物中存在金属铝和碳。图3给出了上述条件制备的碳包覆铝纳米了颗粒的HRTEM图，证明铝纳米颗粒外层存在碳包覆层。

[0062] 实施例2

[0063] 步骤一、将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用无水乙醇冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用去离子水将无水乙醇冲洗干净。石墨棒6选用直径6mm，纯度为99.9％的高纯石墨棒。金属棒10选用纯度为99.7％的铜棒，直径为12mm，清洗前先用砂纸将铜棒表面氧化层打磨去除。

[0064] 步骤二、将铜棒夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极。

[0065] 步骤三、通过石英管5向液氮7中通入的气体为氦气；将阴阳极和和石英管5置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮液面之下。

[0066] 步骤四、将直流电源1电流设置为100A，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开一定的间距7mm，维持电弧稳定30min。

[0067] 步骤五、实验结束后，向液氮7中加入收集剂去离子水，待液氮7挥发完毕后，碳包覆铜纳米颗粒遗留在未挥发的去离子水中。将含有碳包覆铝纳米颗粒的去离子水在鼓风干燥箱80摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆铜纳米颗粒。

[0068] 实施例3

[0069] 步骤一、将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用无水乙醇冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用去离子水将无水乙醇冲洗干净。石墨棒6选用直径6mm，纯度为99.9％的高纯石墨棒。金属棒10选用纯度为99.7％的铁棒，直径为12mm，清洗前先用砂纸将铁棒表面打磨干净。

[0070] 步骤二、将铁棒夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极。

[0071] 步骤三、通过石英管5向液氮7中通入的气体为二氧化碳；将阴阳极和和石英管5置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮液面之下。

[0072] 步骤四、将直流电源1电流设置为1000A，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开一定的间距5mm，维持电弧稳定1min。

[0073] 步骤五、实验结束后，向液氮7中加入收集剂十二烷，待液氮7挥发完毕后，碳包覆铜纳米颗粒遗留在未挥发的十二烷中。将含有碳包覆铜纳米颗粒的十二烷在鼓风干燥箱100摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆铁纳米颗粒。

[0074] 实施例4

[0075] 步骤一、将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用无水乙醇冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用去离子水将无水乙醇冲洗干净。石墨棒6选用直径6mm，纯度为99.9％的高纯石墨棒。金属棒选用纯度为99.7％的锌棒，直径为12mm，清洗前先用砂纸将锌棒表面打磨干净。

[0076] 步骤二、将锌棒夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极。

[0077] 步骤三、通过石英管5向液氮7中通入的气体为氖气；将阴阳极和和石英管5置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮液面之下。

[0078] 步骤四、将直流电源1电流设置为1000A，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开一定的间距30mm，维持电弧稳定10min。

[0079] 步骤五、实验结束后，向液氮7中加入收集剂十二烷，待液氮挥发完毕后，碳包覆锌纳米颗粒遗留在未挥发的十二烷中。将含有碳包覆锌纳米颗粒的十二烷在鼓风干燥箱100摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆锌纳米颗粒。

[0080] 实施例5

[0081] 步骤一、将原材料石墨棒6和金属棒10进行清洗，用无水乙醇冲洗，洗去电极表面的油污和杂质，再用去离子水将无水乙醇冲洗干净。石墨棒6选用直径6mm，纯度为99.9％的高纯石墨棒。金属棒选用纯度为99.7％的锌棒，直径为12mm，清洗前先用砂纸将锌棒表面打磨干净。

[0082] 步骤二、将铝棒夹持在下导电夹9上，作为阳极；将石墨棒6夹持在上导电夹3上，作为阴极。

[0083] 步骤三、将阴阳极置于盛有液氮7的烧杯中，保证阴阳极的接触位置在液氮液面之下。

[0084] 步骤四、将直流电源1电流设置为30A，实验过程中保持不变。将阴阳极拉开一定的间距5mm，维持电弧稳定1min。

[0085] 步骤五、实验结束后，向液氮7中加入收集剂无水乙醇，待液氮挥发完毕后，碳包覆锌纳米颗粒遗留在未挥发的无水乙醇中。将含有碳包覆锌纳米颗粒的十二烷在鼓风干燥箱100摄氏度下烘干，得到粉体样品。所得粉体样品利用X射线衍射确定为碳包覆锌纳米颗粒。

[0086] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。