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甲烷与氦气混合气在合成石墨包裹奈米镍晶粒的中的应用

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2014-08-26 09:07:00【

  石墨包裹奈米晶粒是一种粒径为1~100奈米(nm)的球状复合材料,其内核为金属,外层为石墨。最早于1993年利用碳碳电弧法(Krätschmer-Huffman method)製造碳60的衍生材料的实验中发现(Tomita et al,1993, Ruoff et al,1993)。当时有许多人想要在碳60中间的空位中塞入其他的金属,却意外的在实验产物中发现少量的石墨包裹奈米晶粒。不过此法所製造出来的产物量极少(约几百粒),根本无法进行科学的基础研究。1995年Teng et al.与Dravid et al.提出以钨电极为阴极,以石墨坩埚为阳极,并将电极以垂直配置新方法以取代水平配置的旧方法。此改良式钨电弧法的优点为:稳定性高、实验时间长且产生的杂质较少;但因金属的比例过大所以能用来包裹的碳之来源相对不足,无法有效率地将所有金属颗粒包覆,造成产物在经纯化分离的过程后仅能回收少量的纯石墨包裹奈米晶粒。目前已有科学家尝试在氦气中掺入少量甲烷,来增加对回收率的影响。

 

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  对于碳含量不足的问题,林春长(2002)提出在纯化分离的步骤之前加入真空热处理的程序,使初产物之金属颗粒可以被石墨包覆的更完整,进而减少其中的碳杂质。本研究则尝试另一个增加碳含量的方法,在钨电弧法的製程之中加入甲烷气体,经由甲烷的分解,提供石墨原料之外的碳来源,以解决碳含量不足的问题。


  实验的结果发现,在高纯氦气中掺入少量甲烷,对回收率的增加有非常显著之效果;于低电流变因的实验条件下,回收率可以高达60%左右,而在高电流的情况下也有约30%左右。相对于纯氦气的实验,不论是高电流或是低电流,回收率都不到5%。对于甲烷可以提昇回收率的原因推测有三:第一、甲烷在高温下分解产生的碳,经由二步骤机制中的催化效应,可以使未包裹完整的颗粒外层包覆的更完整。第二、甲烷分解产生的氢原子在电弧区附近结合,放出的热有助维持电弧区附近的高温。第三、经甲烷分解的氢原子可接在石墨边缘的悬吊键(dangling bonds)上,有助于石墨的分解,对一开始加进坩埚的石墨原料,可令其以更小片的形式分散在金属之中,因而有助于石墨的蒸发。至于高电流条件下回收率会较低,猜测是因为金属蒸气量会较低电流时来的多,但碳的蒸气量并没有相对增加。对于总产量来说,以掺入甲烷的高电流变因之实验结果较佳,但是因为其回收率较差,所以此实验条件组合较易造成镍金属原料的浪费。若将装置改善为以一恰当比例的甲烷/氦气持续的在实验进行的过程中流通,应该可以改善高电流实验产物的回收率。

此文关键字:氦气