[發明專利]一種基于甲醇催化裂解還原氣氛的納米鋅粉制備方法

無效

• 申請號: 200910074555.X
• 申請日: 2009-06-24
• 公開（公告）號: CN101579744A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 常雙君;劉玉存;柴濤;王建華;于國強
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: B22F9/22
• 分類號: B22F9/22
• 代理公司: 山西五維專利事務所（有限公司）
• 代理人: 李 毅

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，涉及一種金屬納米材料的制備方法，特別是涉及一種納米鋅粉的制備方法。

背景技術

納米級材料是指晶粒尺寸在1～100nm之間，處于原子簇和宏觀物體交接區域的超細微粒。由于納米結構的單元尺度與物質中許多特征長度，如電子的德布洛意波長、超導相干長度、隧穿熱壘厚度、鐵磁性臨界尺寸等相當，從而導致納米材料具有既不同于微觀原子、分子，也不同于宏觀物體的物理化學特性。納米粒子的這類特殊類型結構，導致了它具有體積效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，因此，納米材料具有特殊的光學、力學、磁學、電學、超導、催化性能、耐蝕、機械性能。納米材料從根本上改變了材料的微觀結構，為克服材料研究領域中長期未能解決的一些問題開辟了新的途徑，在磁性材料、電子材料、光學材料、催化、傳感、增韌陶瓷等方面具有廣闊的應用前景。

實驗研究表明，納米鋅粉是一種很強的高效催化劑，在有機物化學合成反應中，利用納米鋅粉制成的催化劑，其催化效率比傳統催化劑高出幾十倍，可用于有機物的氫化反應、汽車尾氣處理等。將納米鋅粉加入涂料中，不但可以提高涂料的保護能力，而且由于鋅粉的尺寸分布更寬，涂層的封閉性提高，致使其耐腐蝕性得以極大的提高。

納米材料的制備方法總體上可以分為物理方法和化學方法。目前納米鋅粉的制備主要采用物理方法，即將金屬鋅加熱變成蒸汽，隨后急劇冷卻得到納米級鋅。上述制備方法的整個操作過程需要在高真空條件下進行，同時還需消耗較高的熱能將金屬鋅轉化為蒸汽，生產成本較高，而且不能實現連續化生產。上海理工大學的周華江等(機械工程材料.2005，9.)利用振動法制備出了納米片狀鋅粉和針狀鋅粉，片狀鋅粉顆粒的厚度在10～50nm之間，直徑與厚度比在5∶1～15∶1之間。振動法制備納米鋅粉的原理是利用研磨介質在以一定振幅振動的筒體內對鋅粉進行沖擊、摩擦、剪切等作用而使顆粒粉碎。在研磨過程中，高速旋轉的硬質研磨介質與顆粒之間相互碰撞，形成使顆粒細化所需的拉應力場。顆粒在足夠的外力作用下產生朔性滑移和與滑移方向垂直的拉應力，這種應力不會因為卸載而消失，在一定條件下釋放，使顆粒斷裂。粉末粒子經過反復變形、斷裂，再結晶，晶粒不斷細化，最終達到納米尺寸。振動法制備納米鋅粉操作過程能耗大，易引入雜質，使純度降低，晶粒易產生變形，粒度不易控制且分布不均。CN1676670A、CN1912193A均采用超聲電解法制備納米鋅粉，但其工藝過程較為復雜，難以實現工業化生產。

目前我國納米氧化鋅的生產已初具規模，但納米鋅粉還無規模化生產廠家，國際市場上的納米鋅粉產量也存在供不應求的情況，其主要原因是現有納米鋅粉的加工方法有限，不適合規模化生產，所以積極探尋簡單易行的納米鋅粉的加工方法很有必要。

以甲醇為原料制備的還原氣氛主要是H₂和CO的混合物，二者都是還原劑，它們都能奪取含氧化合物中的氧，使其還原，即都能發生氧化還原反應。目前甲醇催化裂解還原氣氛主要應用于金屬材料加工過程中的淬火保護，以及退火、回火時金屬表面不增碳、不脫碳、不氧化的多重保護。由于甲醇裂解氣體在熱處理爐中的氣氛碳勢較高，可以使低碳鋼表面得到薄層滲碳和覆碳，所以甲醇催化裂解還原氣氛被廣泛應用于金屬材料的熱處理。而利用甲醇催化裂解還原氣氛來制備納米金屬單質，目前在國內外還均未見文獻報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種生產成本低、設備和原料要求低、制備過程簡單且易于大規模商業化生產，同時可以得到粒徑小、純度高的納米鋅粉的制備方法。

本發明的發明構思是還原價格相對較低的納米級金屬氧化物，以制備價格比較昂貴的納米級金屬單質。

本發明的基于甲醇催化裂解還原氣氛的納米鋅粉制備方法是：將納米氧化鋅置于還原爐中密封，通入由甲醇催化裂解產生的CO和H₂還原氣氛，升溫至350～400℃還原反應20～40min，冷卻后得到納米鋅粉。

利用甲醇催化裂解還原氣氛制備納米鋅粉的具體制備方法是：

1).啟動甲醇催化裂解機，打開甲醇貯罐閥門和冷凝水閥門，以及裂解機與還原爐連接氣路上的還原爐進氣閥；

2).設定甲醇催化裂解機的汽化室溫度為220℃，反應器溫度為100℃，開啟汽化室和反應器加熱開關進行升溫；

3).汽化室溫度升至150℃時，開啟液體進料調節閥，設定甲醇流速50～70ml/min，開始向汽化室通入甲醇；

4).通甲醇15min后，調整反應器溫度為300～400℃，繼續升溫，使產生的甲醇裂解還原氣氛通入還原爐內置換出其中的空氣；