[发明专利]一种滑动弧放电等离子体装置及纳米粉体的制备方法

说明书

本发明涉及一种滑动弧放电等离子体装置及纳米粉体的制备方法。包括滑动弧等离子体发生器、预定比例的文丘里管及流化床；载气、前体气体及刻蚀气体调整比例后通入密闭的滑动弧等离子体反应器；开启电源、引风机或真空泵，调整等离子体区域反应压力，维持滑动弧在稳定的状态下进行放电反应；等离子体裂解前体及刻蚀气体并成核，经特定比例的文丘里管中增大气体流速，在流化床中进一步生长，最终通过旋风分离器及布袋除尘器收集纳米粉体材料。本发明可以气相环境中直接制备纳米粉体材料，具有起弧限制因素少、操作简单、快速连续生产等特点，获得的纳米粉体种类多、尺寸小、质量高，可用于多种前沿领域。

技术领域

本发明属于纳米粉体的等离子体制备领域，具体涉及一种滑动弧放电等离子体装置及纳米粉体的制备方法。

背景技术

近年来，随着等离子体技术的不断发展，等离子体在纳米材料科学与技术领域展现其特有的优势。神华集团有限责任公司公开了一种炭黑的制备方法（专利授权公告号：CN106543777B），通过高温等离子体在1400-1800 ℃下裂解碳质材料得到富含乙炔的产物，并将得到的产物继续进行分解制得炭黑。该发明可以简化乙炔提纯的步骤，缩短炭黑的生产流程，降低生产成本。

锂电池作为新能源为大多数便携电子设备乃至电动汽车提供动力来源，由于石墨烯粉体的特殊层状和堆叠结构使得锂离子更容易嵌入和脱出，因此石墨烯作为锂离子电池的导电材料是一个不错的选择。电子科技大学的向勇等人公开了一种石墨烯制备方法（专利授权公开号为：CN108190864B）。该发明采用液态的金属锡为载体，以糖类为固态碳源，通过高温溶解碳原子。冷却后，在金属锡的表面生成石墨烯，再通过清洗分离获得石墨烯。该发明相对于石墨烯的机械剥离、液相剥离及气相沉积法而言，具有一定的优势，但在制备的过程中还需要基底以及分离、干燥等其他操作。此外，硅碳复合材料相比于石墨材料拥有很多优势，也是当前最具潜力的锂离子电池负极材料之一。掺杂石墨烯或掺杂碳在电化学和电催化剂的应用领域中具有广阔的应用前景。南开大学关乃佳等公开了一种氮掺杂石墨烯材料的制备方法，步骤如下：向超声分散的氧化石墨的水溶液中加入小分子脂肪胺水溶液进行水热反应36-72 h，经分离、洗涤、干燥后得到氮掺杂石墨烯材料（专利授权公开号为：CN103691471B）。该发明制备出的材料在迈克尔加成反应及酯交换反应中表现出良好的催化活性，但整个制备所需时间较长，无法达到快速制备、简单操作的目的。

滑动弧可以同时满足热等离子体与低温等离子体对等离子体化学过程中所需的高电子温度、高电子密度及高度非平衡性，极大部分的输入电能可以较大的提高化学反应效率，是一种具有较高能量利用率的低温等离子体。此外，滑动弧设备构造简单、费用低、操作方便，还不会因压力变化而受到限制。因此，滑动弧放电被广泛应用和研究于甲烷气体重整、污染物降解、纳米材料制备、改性及其他领域。亚洲硅业（青海）股份有限公司的张宝顺等人公开了一种可以向填充有电磁场调整材料和负载金属催化剂的滑动弧放电反应内通入四氯化硅和氢气获得氢化的四氯化硅材料的方法（专利授权号：CN108439413B）。但是，对于滑动弧放电的等离子体工艺在气相环境中直接制备纳米粉体的方法研究和专利较少。

发明内容

本发明的目的在于纳米粉体材料在制备工艺过程中如何快速、简单、连续、有效、可控、低成本、低能耗生产的问题，提供一种滑动弧放电等离子体装置及纳米粉体的制备方法，采用受限制因素小的滑动弧放电等离子体，在大气压或减压的条件下，裂解各种前体和刻蚀气体制备多种多前沿领域应用的纳米粉体材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种滑动弧放电等离子体装置，包括滑动弧等离子体发生器、预定比例的文丘里管及流化床；所述滑动弧等离子体发生器包括绝缘底盘、筒状电极和锥形电极；所述筒状电极和锥形电极与电源相连，进气口与筒状电极相切；所述绝缘底盘与筒状电极底部、锥形电极连接，其中，锥形电极位于筒状电极内部，绝缘底盘的一面与锥形电极通过陶瓷片相隔，绝缘底盘的另一面与锥形电极连接产生的缝隙通过能在室温下固化的硅橡胶进行密封；所述预定比例的文丘里管是一个两端出口面积大、中间截面小的管道，预定比例的文丘里管的出口端与流化床入口连接，预定比例的文丘里管的入口端与筒状电极顶部连接。