专利名称：一种介质阻挡层材料及其制备与应用方法
技术领域：
本发明特别涉及一种介质阻挡层材料及其制备与应用方法，属于功能陶瓷材料领域。
背景技术：
近年来，温室效应、能源问题的日益严峻以及一碳化学的兴起使得甲烷和二氧化碳的分解成为研究热点。与传统的水蒸汽重整、部分氧化法相比较，介质阻挡层放电(dielectric barrier discharge, DBD)作为一种低温等离子体技术,不仅可以摆脱化学动力学限制而且可以在常温常压下很容易地实现。这些优点使得介质阻挡层放电方法在二氧化碳温室气体的分解方面显示出优势。介质阻挡层放电在设备、操作条件以及选择性方面有着很大的优越性，因此更加受到了研究人员的青睐。目前该方法需要解决的主要问题是如何提高二氧化碳的转化率和能量利用效率。介质阻挡层材料是影响介质阻挡层放电过程中能量利用效率的关键因素，它一方面防止单通道放电的产生，另一方面将微放电均匀地分布在放电空间内。材料的介电常数、击穿场强、微观结构和表面电阻是影响放电特性的主要参数。介质阻挡层的性质影响着放电过程中电荷的传输总量以及等离子体的能量，而且还具有储存电子促进均匀放电的作用。其介电常数(在一定范围内)越大、厚度越小越有利于等离子体化学反应的发生，此外具有高的二次电子发射系数的材料也有利于降低气体的击穿电压，而低表面电阻的材料有利于均匀放电的产生。目前，有机材料如环氧树脂和聚四氟乙烯，无机材料如石英玻璃和氧化铝陶瓷都被用做介质阻挡层材料，并进行了放电分`解二氧化碳的尝试，但是二氧化碳的转化率和能量利用效率都不高。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种介质阻挡层材料及其制备与应用方法。一种介质阻挡层材料，其为玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷材料,其中玻璃的质量分数为X，其余组分为(Ca1Jry) TiO3,其中，O. 5 wt%彡χ彡5 wt%, O.1彡y彡O. 3。—种介质阻挡层材料的制备方法，首先调节上述钛酸锶钙陶瓷材料中γ的比例，采用固相合成法制备钛酸锶钙粉体；然后采用纯度大于99%的原料，按照比例配料，经过高温熔融、水淬、球磨磨细得到所需组成的玻璃粉料；再将所得玻璃粉料与钛酸锶钙粉体按照一定比例在行星球磨机中加入球磨介质混合5 h^6 h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料，其具体步骤如下I)采用固相合成法制备(CapySry)TiO3粉体，首先以纯度大于99%的SrC03、CaC03、TiO2为起始原料，按照(Cai_ySry)Ti03的化学计量比配料，然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后在1100 ° (Γ1150 ° C温度下保温2 tT4 h煅烧合成，即得所需钙钛矿结构的(CahSry)TiO3粉体；
2)以纯度大于99%的反应物为起始原料，按照化学计量比配料，然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后在1200 ° (Γ1500 ° C温度下保温2h"3 h熔融，得到高温熔体；3)将步骤2)中所得到的高温熔体进行快速水淬，再将水淬得到的玻璃颗粒在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h"6 h，烘干后得到玻璃粉体；4)将步骤I)和步骤3)中所制备的(CapySry)TiO3粉体和玻璃粉体按比例混合，混合工艺为在行星式球磨机中加入球磨介质和磨球研磨5 h^6 h;烘干后，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料粉体。所述球磨介质为去离子水或无水乙醇。所述反应物为Ba0、Sr0、Ca0、H3B03、Si02、Al203、Bi203、Zr02、B203 和 La2O3 中的多种。一种介质阻挡层材料的应用方法，将玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料用于等离子体放电分解二氧化碳，所述介质阻挡层材料设置在反应器内，在接地电极和高压电极之间并与接地电极接触，其与高压电 极之间形成放电间隙，其具体步骤如下I)将玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料粉体加入浓度为I wt%的聚乙烯醇粘接剂溶液中，其中每克介质阻挡层材料粉体使用O. 05 mL聚乙烯醇溶液，在8 MPa压力下成型，获得直径为10 mnT30 mm、厚度为I mm的样品；2)将成型后得到的样品在1150 ° (Γ1200 ° C温度范围内烧结，保温时间为2h^3 h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品；3)将步骤2)所得到的玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品，设置在反应器内接地电极上，用于等离子体放电分解二氧化碳。本发明的有益效果为本发明方法所制备的介质阻挡层材料可用于等离子体放电分解二氧化碳，可使二氧化碳的转化率和能量利用效率均得到显著提高。
图1为介质阻挡层材料进行放电分解二氧化碳的实验装置示意图；图2为介质阻挡层材料进行放电分解二氧化碳的实验反应器示意图；图3为实施例1中介质阻挡层材料的X射线衍射结果；图4为实施例2中介质阻挡层材料的扫描电镜照片，其中图4a、图4b和图4c分别为玻璃质量分数为O. 5 wt%U被％和5 wt%时介质阻挡层材料的扫描电镜照片；图5是实施例3中不同烧结温度下介质阻挡层材料的室温介电常数和介电损耗结果;图6是实施例3中不同烧结温度下介质阻挡层材料的交流击穿场强结果。
具体实施例方式本发明提供了一种介质阻挡层材料及其制备与应用方法，下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。实施例1I)采用固相合成法制备(Caa8Sra2)TiO3粉体，首先以纯度大于99%的SrC03、CaCO3^TiO2为起始原料，按照(Caa8Sra2)TiO3的化学计量比配料，然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后在1100 ° (Γ1150 ° C温度下保温2 tT4 h煅烧合成，即得所需钙钛矿结构的(Caa8Sra2)TiO3粉体；2)以纯度大于 99% 的 Ca。、B2O3' SiO2 为起始原料，按照 CaO =B2O3 Si02=42. 26 15. 58 42. 16的化学计量比配料,然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 tT6h，烘干后在1200 ° (Γ1500 ° C温度下保温2 h^3 h熔融；3)将步骤2)中所得到的高温熔体进行快速水淬，再将水淬得到的玻璃颗粒在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h"6 h，烘干后得到特定组成的玻璃粉体；4)将步骤I)和步骤3)中制备的钛酸锶钙粉体和玻璃粉体分别按照x=0. 5 wt%、x=l wt%和x=5 wt%的比例分别混合,混合工艺为在行星式球磨机中加入球磨介质和磨球研磨5 tT6 h;烘干后，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷粉料；5)将步骤4)得到的混合物料加入浓度为I wt%的聚乙烯醇粘接剂溶液中，其中每克介质阻挡层材料粉体使用O. 05 mL聚乙烯醇溶液，在8 MPa压力下成型，获得直径为10mnT30 mm、厚度约为I _的样品；6)将成型后得到的样品在1150 ° (Γ1200 ° C温度范围内烧结，保温时间为2h^3 h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品，用于等离子体放电分解二氧化碳；7)将步骤6)所得到的玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品，再经过丝网印刷涂覆粘结性能和导电性能良好的中温银浆料(北京诚恩电子有限公司购得)，在500 ° (Γ600 ° C温度下烧渗20 mirT30 min，固化形成金属银电极，即可用于电性能测量。介质阻挡层放电实验装置及实验条件反应条件为常温常压密闭反应，反应时温度不超过180 ° C。为了能够观察放电情况，反应器采用石英作为外壳。上下两电极均为铝电极，阻挡层材料放在下电极的上面。决定反应器性能的关键因素是气密性和上下电极的平行度。为了保证气密性，反应器的上下各部分都装有密封圈，经测试表明反应器的气密性良好。经放电测试表明上下电极平行度良好，放电微观通道均匀地分布在放电空间内。反应系统示意图如图1所示，整个反应系统包括电路、气路和气体分析测试三大部分，等离子体电源提供反应所需能量，气体通入反应器之后，出来的气体成分用气相色谱分析，反应放电参数由示波器采集。图1中R=50 Ω，C=O. 47F，R2 = R1=IOOO,放电时通过切换开关K可以在C与R之间进行切换。当与电容C接通时可以通过示波器的读数计算放电时的总电量，当与电阻R接通时可以通过示波器(美国Tektroix DP03014)的读数计算得出放电时的电流。输出电压是通过两个分压电阻的关系间接给出的。放电的电流电压波形由示波器检测，反应后的气体成分由气相色谱仪(美国安捷伦科技公司6820)和填充柱(北京北分天普仪器技术公司TDX-01)进行检测。除反应中更换不同介质阻挡层材料之外，其他所有条件都是固定的等离子体电源电压为50 V，放电间隙为O. 5 mm，阻挡层材料样品的厚度为I mm，进气比为N2:C02=9:1，进气流速为300 ml/min。二氧化碳的转化率(Ccq2)的计算公式为
权利要求
1.一种介质阻挡层材料，其特征在于所述介质阻挡层材料为玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷材料，其中玻璃的质量分数为X，其余组分为(CahSry)TiO3，其中，0. 5 wt%彡x彡5 wt%,0.1 < y < 0. 3。
2.一种如权利要求1所述的介质阻挡层材料的制备方法，其特征在于首先调节上述钛酸锶钙陶瓷材料中I的比例，采用固相合成法制备钛酸锶钙粉体；然后采用纯度大于99%的原料，按照比例配料，经过高温熔融、水淬、球磨磨细得到所需组成的玻璃粉料；再将所得玻璃粉料与钛酸锶钙粉体按照一定比例在行星球磨机中加入球磨介质混合5 h^6 h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料，其具体步骤如下 1)采用固相合成法制备(Cai_ySry)Ti03粉体，首先以纯度大于99%的SrCO3、CaCO3JiO2为起始原料，按照(CahSry)TiO3的化学计量比配料，然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后在1100 ° (T1150 ° C温度下保温2 h^4 h煅烧合成，即得所需钙钛矿结构的(Cai_ySry)Ti03粉体； 2)以纯度大于99%的反应物为起始原料，按照化学计量比配料，然后将这些原料在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后在1200 ° (T1500 ° C温度下保温2 h^3h熔融，得到高温熔体； 3)将步骤2)中所得到的高温熔体进行快速水淬，再将水淬得到的玻璃颗粒在行星球磨机中加入球磨介质研磨5 h^6 h，烘干后得到玻璃粉体； 4)将步骤I)和步骤3)中所制备的(Cai_ySry)Ti03粉体和玻璃粉体按比例混合，混合エ艺为在行星式球磨机中加入球磨介质和磨球研磨5 h^6 h;烘干后，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料粉体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述球磨介质为去离子水或无水こ醇。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述反应物为Ba0、Sr0、Ca0、H3B03、SiO2、Al203、Bi203、Zr02、B203 和 La2O3 中的多种。
5.一种如权利要求1所述的介质阻挡层材料的应用方法，其特征在于，将玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料用于等离子体放电分解ニ氧化碳，所述介质阻挡层材料设置在反应器内，在接地电极和高压电极之间并与接地电极接触，其与高压电极之间形成放电间隙，其具体步骤如下 1)将玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料粉体加入浓度为Iwt%的聚こ烯醇粘接剂溶液中，其中每克介质阻挡层材料粉体使用0.05 mL聚こ烯醇溶液，在8 MPa压カ下成型，获得直径为10 mnT30 mm、厚度为I mm的样品； 2)将成型后得到的样品在1150° (T1200 ° C温度范围内烧结，保温时间为2 h^3 h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品； 3)将步骤2)所得到的玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷样品，设置在反应器内接地电极上，用于等离子体放电分解ニ氧化碳。
全文摘要
本发明特别涉及一种介质阻挡层材料及其制备与应用方法，属于功能陶瓷材料领域。本发明介质阻挡层材料为玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷材料，其中玻璃的质量分数为x，其余组分为(Ca1-ySry)TiO3，其中，0.5wt%≤x≤5wt%，0.1≤y≤0.3；首先调节上述钛酸锶钙陶瓷材料中y的比例，采用固相合成法制备钛酸锶钙粉体；然后采用纯度大于99%的原料，按照比例配料，经过高温熔融、水淬、球磨磨细得到所需组成的玻璃粉料；再将所得玻璃粉料与钛酸锶钙粉体按照一定比例在行星球磨机中加入球磨介质混合5h～6h，得到玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料；本发明所制备玻璃掺杂的钛酸锶钙陶瓷介质阻挡层材料可用于等离子体放电分解二氧化碳，可使二氧化碳的转化率和能量利用效率均得到显著提高。
文档编号C04B35/47GK103044022SQ201210586820
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者张勇, 汪向荣 申请人:清华大学