Способ получения нанодисперсных порошков оксидов

Способ получения нанодисперсных порошков оксидов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к химической и технической физике, металлургии и предназначено для получения нанодисперсных порошков оксида металла.

Известен способ (патент RU №2119454, МПК6 С 01 G 1/02, опубл. 27.09.1998 г.) получения высокодисперсных порошков оксидов, в котором производится распыление жидкого тетрахлорида металла или металлоида в кислородсодержащий плазменный теплоноситель. Распыление тетрахлорида металла или металлоида в кислородсодержащий газ производится при отношении массового расхода кислорода к массовому расходу тетрахлорида металла или металлоида не менее половины стехиометрически необходимого количества.

Недостатком данного способа является необходимость нагревания кислородсодержащего газа-теплоносителя, что требует значительных энергозатрат. Например, при процессе получения высокодисперсного оксида титана требуется нагрев кислородсодержащего газа-теплоносителя до температуры 4000-5000 К. Кроме того, нагрев стенок реактора ведет к загрязнению конечных продуктов технологического процесса материалом стенок реактора и продуктами десорбции.

Наиболее близким к предлагаемому способу является выбранный за прототип способ проведения химических реакций (патент RU №2118912, МПК 6 В 03 С 3/00, опубл. 20.09.1998 г.). Способ включает подачу исходных веществ в газообразном состоянии в область барьерного электрического разряда и обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием. Снижение энергоемкости процесса синтеза нитридов, оксидов и получения высокодисперсных порошков из газовой фазы достигается за счет того, что энергия поступательных степеней свободы (или фактор температуры) в указанных процессах при преодолении активационного барьера заменяется на энергию колебательных степеней свободы.

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса, требующая вложения в реагирующие компоненты полной энергии их диссоциации.

Основным техническим результатом предложенного решения является разработка экономичного способа получения нанодисперсных порошков оксида металла. Экспериментально получено снижение энергоемкости более чем в 100 раз.

Основной технический результат достигается тем, что в способе получения нанодисперсных порошков оксидов, включающем подачу в реактор галогенида металла и восстановителя в газообразных состояниях, обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием, согласно предложенному решению до обработки смеси газов в реактор подают кислород и импульсным энергетическим воздействием с длительностью не более 10^-5 секунды инициируют цепной химический процесс.

Кроме того, в качестве восстановителя используют молекулярный водород или дейтерий.

Целесообразно в качестве энергетического воздействия использовать импульсное лазерное или некогерентное излучение с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида металла или молекулы восстановителя.

Также целесообразно в качестве энергетического воздействия использовать импульсный электронный пучок, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида металла или молекулы восстановителя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого способа отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения показали, они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. На чертеже приведена схема установки для получения нанодисперсных порошков оксида металла. Она состоит из трубки 1 для подачи галогенида металла, реактора 2, трубки 3 для подачи восстановителя, трубки 4 для подачи кислорода, окна 5 для ввода импульсного энергетического воздействия, окна 6 для сбора порошка, трубки 7 для вывода побочных продуктов и 8 источника импульсного энергетического воздействия.

Способ осуществляется следующим образом.

Галогенид металла в газообразном состоянии подают через трубку 1 в объем реактора 2. Через трубку 3 в объем реактора подают восстановитель в газообразном состоянии. Через трубку 4 в объем реактора подают кислород. Через окно 5 на смесь газов в реакторе производится импульсное энергетическое воздействие. Продукты реакции в виде мелкодисперсного порошка собираются на дне реактора и удаляются через окно 6. Побочные продукты реакции в газообразном состоянии (HCl, HF, Н₂О и др.) удаляются через трубку 7.

При воздействии импульсного сильноточного электронного пучка с параметрами: энергия электронов 450-500 кэВ, ток пучка 5-6 кА, длительность импульса 50-60 нс, на смесь галогенида кремния (SiCl₄), водорода и кислорода протекают реакции диссоциации галогенида кремния (SiCl₄) или водорода электронным ударом:

цепные реакции окисления водорода:

Н₂+O₂=2OH

ОН+Н₂=H₂О+Н

Н+O₂=ОН+O

O+Н₂=ОН+Н

Н+O₂+М=HO₂+М

HO₂+Н₂=Н₂O₂+Н

HO₂+Н₂O=H₂O₂+ОН

а также реакции синтеза диоксида кремния:

SiCl₄+2H₂O=SiO₂+4HCl

SiCl₄+4OH→SiO₂+4HCl+O₂

Процесс получения порошков оксида металла осуществляется как в цикличном режиме (напуск газа→облучение→откачка побочных продуктов реакции в газообразном состоянии), так и в непрерывном (проточном режиме). Получено, что время цепной реакции и реакции синтеза SiO₂ составляет 5-10 мкс, в связи с этим время воздействия выбрали не более 10 мкс, т.к. при большем времени воздействия происходит разложение необходимых продуктов реакции.

Энергия диссоциации тетрахлорида кремния равна 635 кДж/моль (Лапидус И.И., Нисельсон Л. А. Тетрахлорсилан и трихлорсилан. М.: Химия, 1970, с.83). При использовании в качестве импульсного энергетического воздействия сильноточного электронного пучка наносекундной длительности, с энергией электронного пучка 100 Дж, за импульс получено, что энергозатраты электронного пучка на синтез диоксида кремния из тетрахлорида кремния составили 6.2 кДж/моль. Следовательно, длина цепной реакции окисления водорода и получения нанодисперсного порошка диоксида кремния более 100, что позволяет более чем в 100 раз снизить энергоемкость технологического процесса получения порошка диоксида кремния.

Кроме того, заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет также снизить энергоемкость за счет следующего:

1) использования в качестве восстановителя в газообразном состоянии молекулярного дейтерия;

2) использования в качестве импульсного энергетического воздействия импульсного лазерного или некогерентного излучения с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида или молекулы восстановителя. Энергия кванта должна превышать 4 эВ (h·с/λ>4 эВ). Следовательно, длина волны импульсного лазерного или некогерентного излучения должна быть не больше 0,3 мкм;

3) использования в качестве импульсного энергетического воздействия импульсного электронного пучка, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида или молекулы восстановителя (4 эВ).

Предложенный способ применим для получения нанодисперсных порошков оксида металла (Al₂О₃, TiO₂, SiO₂ и др.) из их галогенида в газообразном состоянии.

1. Способ получения нанодисперсных порошков оксида металла, включающий подачу в реактор галогенида металла и восстановителя в газообразных состояниях, обработку смеси газов в объеме реактора энергетическим воздействием, отличающийся тем, что в реактор до обработки смеси газов подают кислород и инициируют цепной химический процесс импульсным энергетическим воздействием с длительностью не более 10^-5 с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют молекулярный водород или дейтерий.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве энергетического воздействия используют импульсное лазерное или некогерентное излучение с энергией кванта излучения, превышающей энергию диссоциации молекулы галогенида или молекулы восстановителя.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве энергетического воздействия используют импульсный электронный пучок, энергия электронов которого превышает энергию диссоциации молекулы галогенида или молекулы восстановителя.