一种制备纳米级核壳结构碳包覆复合材料的工艺及其装置的制作方法

文档序号：17891558发布日期：2019-06-13 15:41阅读：351来源：国知局

本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种制备纳米级核壳结构碳包覆复合材料的工艺及其装置。

背景技术：

纳米金属氧化物与其单质物质相比，有超高的硬度，有良好的导热能力，化学性质更加稳定，种类丰富。它们被广泛用于催化，光解，复合材料，耐热材料，半导体材料，防酸碱腐蚀等领域。

碳元素是世界上最丰富的元素之一，被广泛运用于各种材料中。目前具备良好晶化碳材料有，碳纳米管、石墨烯，富勒烯等，均有着优异的热力学、机械、光学、导电性能。

然纳米材料比表面积过大，颗粒粒径小，表面能高，存在过多表面悬空键，未饱和键等特殊结构，导致化学反应活性很强，极易受到外界环境的影响导致其发生团聚，结块等现象，使纳米颗粒失去稳定性和活性降低。为了维持纳米金属氧化物材料性质的稳定性，通过对材料的表面进行碳包覆处理，起到了很好的改善效果，同时还赋予材料新的特性。由于碳包覆层能够提高材料的导电性，提高活性物质表面的化学稳定性，故经过碳包覆层处理的金属氧化物材料在锂电池负极材料方面得到了广泛的应用。此外碳包覆金属氧化物纳米材料在润滑添加剂，催化剂，表面导电涂层等众多领域有着广泛的运用，具有巨大的市场空间和商业价值。

但目前已有的工艺——这种包覆性金属氧化物纳米材料的生产量难以达到工业化量产水平，产出量远远不能满足市场需求。迫于供求关系，市场急需出现一种能大规模连续性生产碳包覆金属氧化物的纳米材料的方法。

目前制备核壳结构碳包覆金属氧化物纳米材料的方法有等离子溅射沉积法，水浴法，模板合成法，以及传统的固气相沉积法。这些方法制备的碳包覆金属氧化物的纳米材料产量低，可控性差，碳包覆层规模难以扩大，且因纳米粒子有很强的团聚性，使得单个碳纳米粒子包覆难以实现。更加不能达到大规模，连续性生产的能力。这次将会介绍一种具备连续性生产能力，年产量达到3-5吨的先进合成工艺(旋转式化学气相沉淀法(rcvd))。该生产工艺制备的碳包覆层均匀光滑，达到1-5纳米厚度可控性，甚至单层包覆的效果。旋转式化学气相沉积法是在原来静态化学气相沉积法上通过改良生产系统，实现连续式大规模，达到可控涂层厚度的生产能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备纳米级核壳结构碳包覆复合材料的工艺及其装置，解决背景技术中所提到的技术问题，能够扩大碳包覆的面积，控制包覆层厚度。避免出现因纳米粒子的团聚性而导致包覆厚度不均匀，不能扩大的现象。

一种制备纳米级核壳结构碳包覆复合材料的工艺，所述工艺包括如下步骤：

步骤1：选用苯乙烯和丙酮的体积比为2:1～4:1混合制备碳前驱体；

步骤2：取金属氧化物纳米粒子加入到乙醇当中，磁力搅拌，然后进行超声波分散，产生的悬浮液置于75-85℃真空干燥箱中获得干粉，用石英研钵研磨，转移到旋转式气相沉积系统的石英管中；

步骤3：设置系统的参数，通入氩气，在系统运行15-60min内持续将步骤1的液体通过喂料系统加入旋转炉反应区，充分反应后，在氩气环境中冷却至室温，将产物移到产物收集系统；

步骤4：将步骤3所得纳米粒子通过xrd、tga、sem、tem进行表征。

进一步地，所述步骤1中碳前驱体使用超声波震荡混合30min。

进一步地，所述步骤1中苯乙烯和丙酮的纯度均为99.99％。

进一步地，所述步骤2中乙醇的质量为选取的金属氧化物质量的10倍。

进一步地，所述步骤3中旋转炉用于反应形成核壳结构，并控制碳包覆层的厚度和层数。

进一步地，所述步骤3中反应开始之前需要使用氩气排除炉中的空气，氩气的流速为100ml/min，喂料系统的碳前驱体液体为2ml/h，通入反应的碳的前驱体液体时旋转炉的温度为550℃，结束反应时温度为1000℃。

进一步地，所述步骤2中金属氧化物纳米粒子为ceo纳米粒子、cro纳米粒子、zro纳米粒子、y2o3纳米粒子、tio2纳米粒子或者zno纳米粒子，且粒径<100nm。

一种制备纳米核壳结构碳包覆复合材料的装置，包括进气控制器、进气装置、喂料系统、气体流速控制器、进料密封装置、加热装置、加热控制器、出料密封装置和产物收集系统；

所述加热装置进料口设置有石英管，所述进气装置和喂料系统的输出端均与石英管连接，所述进料密封装置设置在加热装置的进料口的石英管上，所述进气控制器与进气装置连接，控制进气装置的进气速率和进气量，所述气体流速控制器与进料密封装置连接，控制石英管的进料的速率；所述加热控制器与加热装置连接，控制加热装置的转速、角度和温度，所述加热装置的物料输出端设置有输出石英管，所述出料密封装置设置在输出石英管上，所述产物收集系统设置在输出石英管的末端。

进一步地，所述加热装置包括管式炉、电驱动机、滚动系统和倾斜系统，所述电驱动机与滚动系统连接，所述滚动系统与管式炉连接，所述倾斜系统设置在管式炉的外侧。

进一步地，所述喂料系统的物料在氩气的推动下进入到旋转炉内的反应区，通过滚动系统控制碳包覆层数及厚度，整个包覆层大小均匀。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明制备的碳包覆层并不会改变金属氧化物的原有结构和形态，包覆层厚度均匀，高温的反应过程并未引起金属氧化物纳米粒子的团聚，所得产物不结块，反应产物没有非晶态碳球副产物，发明的装置和生产方法实现了大规模高效率生产，包覆层面积可扩大、厚度可控且均匀光滑的；为一切碳包覆金属氧化物纳米材料提供了生产方法与其他外表面需要改性，增加包覆层的纳米材料提供了参考，所制备的碳包覆金属氧化物纳米材料在润滑领域，电池的负极材料方面存在巨大价值。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明的碳包覆层tem图。

图3是本发明的zno@c的tem图。

图4是本发明的tio2@c的tem图。

图中编号：1-进气控制器、2-进气装置、3-喂料系统、4-气体流速控制器、5-进料密封装置、6-加热装置、7-加热控制器、8-出料密封装置、9-产物收集系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

实施例1

步骤1：制备碳的前驱体：选用的苯乙烯和丙酮作为原料(纯度均为99.99％)，按照两者体积比为丙酮：苯乙烯＝4:1配置碳前驱体，使用超声波震荡混合。

步骤2：取一定量的ceo纳米粒子(粒径<100nm)加入到乙醇(纯度为99.99％)当中，磁力搅拌1h，之后进行超声波分散30min，产生的悬浮液置于80℃真空干燥箱中获得干粉，用石英研钵研磨，转移到旋转式气相沉积系统的石英管中。

步骤3：整个反应开始之前需要使用氩气排除炉中的空气，设置反应系统的参数，氩气的流速为100ml/min；在系统运行15-60min内持续将步骤一碳的前驱体液体按2ml/h流速通过喂料系统加入旋转炉反应区。充分反应后，在氩气环境中冷却至室温，将产物移到产物收集系统。通入碳的前驱体液体时旋转炉的温度为550℃，结束反应时温度为1000℃。