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电浆合成

电浆合成

电浆合成

电浆合成又称放电合成,是20世纪70年代才迅速发展起来的一种技术手段。它是利用电浆特殊性质进行化学合成的一种新技术。电浆是由电子、原子、分子、自由基、光子等粒子组成的集合体,正负带电粒子的数目相等,体系为电中性。电浆又被称为是物质存在的第四种状态。电浆可分为高温电浆和低温电浆。

基本介绍

  • 中文名:电浆合成
  • 外文名:plasma synthesis
  • 分类:高温电浆和低温电浆合成
  • 别称:放电合成

高温电浆

高温电浆或称为局域平衡电浆,这种电浆的特徵是电子温度等于离子温度和气体温度,通常由稠密气体在常压下或高气压电弧放电或高频放电产生。高温电浆由于具有较高的温度,既可作为热源进行高等无机合成高熔点金属的熔炼提纯、难熔金属和陶瓷的熔射喷涂,也可进行各种超高温化学反应,如矿石、化合物的热分解还原、高熔点合金的製备、超高温耐热材料合成等。电浆与任何反应容器并非直接接触,两者之间会形成一个电中性、被破坏了的薄层,即电浆鞘,使高温不会直接传导给器壁。同时用电磁场来约束电浆,加之冷却手段的运用等,易于实现数万摄氏度的高温反应。

低温电浆

低温电浆又称为非平衡电浆,通常是低气压下的稀薄气体採用高频、微波、雷射、辉光放电或常压气体採用电晕放电所产生,这种电浆的特徵是电子温度远远大于离子温度和气体温度,而且电子温度高达10000K以上,重粒子(离子和中性原子的温度却可以低到300K。非平衡电浆有着十分重要的实用价值,一方面电子有足够的能量,能使反应分子活化进而引发化学反应,另一方面反应体系又得以保持较低温度。由于整个体系温度取决于分子、离子等重粒子温度。这样一来,儘管电子能量很高,可激活高能量水平的化学反应,而反应器却处于低温,可套用于很多高温材料的低温合成,如单晶的低温生长、半导体器件工艺的低温化等过程。

电浆产生方法

常用的电浆产生方法主要有以下几种。
1、气体放电法
在电场作用下获得加速动能的带电粒子,特别是电子与气体分子碰撞使气体电离,加之阴极二次电子发射等作用,导致气体被击穿放电形成电浆。按所加电场不同可分为直流放电、高频放电和微波放电等;若按放电过程特徵划分,则可分为电晕放电、辉光放电、电弧放电等。辉光放电电浆属于低温电浆,电弧放电电浆属于高温电浆。
2、光电离法和雷射辐射电离
光电离法借入射光子能量来使某物质的分子电离,以形成电浆,条件是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能。雷射辐射电离本质上也属于光电离,但其电离机制和所得结果与普通的光电离法不大相同,不仅有单光子电离,还有多光子电离和级联电离机制。就多光子电离而言,是同时吸收许多个光子使物质的原子或分子电离。雷射辐射法的另~个特点是易于获得高温高密度电浆。
3、射线辐照法
用各种射线或粒子束对气体进行辐照也能产生电浆。例如,用放射性同位素髮出的α、β、γ射线,X射线管发出的X射线,经加速器加速的电子束、离子束等。α粒子是氦核He2+,用α射线电浆相当于荷能离子使气体分子碰撞电离。β射线是一束电子流,它引起的电离相当于高速电子的碰撞电离,而γ射线、X射线可视为光电离。至于离子束和电子束,也都是藉助已经加速的荷能粒子使气体分子碰撞电离的。
4、燃烧法
这是一种人们早就熟悉的热致电离法,藉助热运动使动能足够的原子、分子间相互碰撞引起电离,产生的电浆叫火焰电浆,也称为等离子喷焰或等离子炬。
5、冲击波法
是靠冲击波在试样气体中通过时,试样气体受绝热压缩产生的高温来产生电浆的,实质上也属于热致电离,称为激波电浆。

在无机合成中的套用

高温电浆由于温度较高,複杂分子难以存在,因此在无机合成中不能用于低熔点、易挥发、易分解化合物合成。但它是製备超纯、耐高温超细及纳米粉体最有效的方法之一,在製备金属、氧化物、SiC、Si3N4等方面取得成功。该技术也用于试製BN、TiN、WC、TiO2、Sb2O3、MoO3等材料。
工业上普遍採用的SiO2碳热还原法製备的碳化硅SiC,产品SiC需要进行破碎、磨细、酸洗、乾燥、筛分等多道工序,最终也只能得到微米级SiC粉末。而採用直流电弧电浆法合成β一SiC超细粉末,平均粒径为0.05~0.5μm,产品纯度大于97%;在产品质量、製备成本、製备能力及工业化可行性方面,均具竞争力。
等离子法还可用于製备各类金属催化剂,这些催化剂由不同含量的氧化物Fe3O4、Fe2O3、FeO、Al2O3、K2O、CaO、SiO2和MgO等组成,催化剂前驱体是金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐或硝酸盐。根据所製备催化剂不同要求,载气可以是Ar、N2、O或空气,在这种条件下製备的催化剂粒度平均大小为50nm。同传统方法相比,电浆法製备的催化剂有更紧密的晶格,表现出更好的性质。例如,在氧化铝上通过电浆溅射沉积技术製备出钙钛矿氧化物LaMOX膜(M是Co、Mn、Ni);而通过电浆溅射方法製备的Fe—Co系列催化剂虽然比表面积比常规法要少,但对氢和一氧化碳吸附很强,催化选择性增强。多种催化剂的等离子製备结果表明,同传统催化剂製备方法相比,电浆技术製备催化剂具有操作简便、工艺流程短、催化剂变化过程直观易控、催化剂活性高、稳定性好、清洁无污染等优点,显示出了广阔的套用前景。
高温电浆製备金属纳米粒子的特点是速率快、纯度高。例如,氩电浆作用于金属,使之加热、熔融、蒸发、汽化的金属原子在惰性气体中急冷,凝聚下来,即得到金属纳米离子。目前,已经製备了铁、银、镍、钯、铂等纳米粒子。低温电浆主要用于各种薄膜材料的製备。

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