一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法
2023-06-01 22:44:06
專利名稱：一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法
技術領域：
本發明特別涉及一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法，屬於功能陶瓷材料領域。
背景技術：
近年來，溫室效應、能源問題的日益嚴峻以及一碳化學的興起使得甲烷和二氧化碳的分解成為研究熱點。與傳統的水蒸汽重整、部分氧化法相比較，介質阻擋層放電(dielectric barrier discharge, DBD)作為一種低溫等離子體技術,不僅可以擺脫化學動力學限制而且可以在常溫常壓下很容易地實現。這些優點使得介質阻擋層放電方法在二氧化碳溫室氣體的分解方面顯示出優勢。介質阻擋層放電在設備、操作條件以及選擇性方面有著很大的優越性，因此更加受到了研究人員的青睞。目前該方法需要解決的主要問題是如何提高二氧化碳的轉化率和能量利用效率。介質阻擋層材料是影響介質阻擋層放電過程中能量利用效率的關鍵因素，它一方面防止單通道放電的產生，另一方面將微放電均勻地分布在放電空間內。材料的介電常數、擊穿場強、微觀結構和表面電阻是影響放電特性的主要參數。介質阻擋層的性質影響著放電過程中電荷的傳輸總量以及等離子體的能量，而且還具有儲存電子促進均勻放電的作用。其介電常數(在一定範圍內)越大、厚度越小越有利於等離子體化學反應的發生，此外具有高的二次電子發射係數的材料也有利於降低氣體的擊穿電壓，而低表面電阻的材料有利於均勻放電的產生。目前，有機材料如環氧樹脂和聚四氟乙烯，無機材料如石英玻璃和氧化鋁陶瓷都被用做介質阻擋層材料，並進行了放電分`解二氧化碳的嘗試，但是二氧化碳的轉化率和能量利用效率都不高。
發明內容
針對現有技術不足，本發明提供了一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法。一種介質阻擋層材料，其為玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷材料,其中玻璃的質量分數為X，其餘組分為(Ca1Jry) TiO3,其中，O. 5 wt%彡χ彡5 wt%, O.1彡y彡O. 3。—種介質阻擋層材料的製備方法，首先調節上述鈦酸鍶鈣陶瓷材料中γ的比例，採用固相合成法製備鈦酸鍶鈣粉體；然後採用純度大於99%的原料，按照比例配料，經過高溫熔融、水淬、球磨磨細得到所需組成的玻璃粉料；再將所得玻璃粉料與鈦酸鍶鈣粉體按照一定比例在行星球磨機中加入球磨介質混合5 h^6 h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料，其具體步驟如下I)採用固相合成法製備(CapySry)TiO3粉體，首先以純度大於99%的SrC03、CaC03、TiO2為起始原料，按照(Cai_ySry)Ti03的化學計量比配料，然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後在1100 ° (Γ1150 ° C溫度下保溫2 tT4 h煅燒合成，即得所需鈣鈦礦結構的(CahSry)TiO3粉體；
2)以純度大於99%的反應物為起始原料，按照化學計量比配料，然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後在1200 ° (Γ1500 ° C溫度下保溫2h"3 h熔融，得到高溫熔體；3)將步驟2)中所得到的高溫熔體進行快速水淬，再將水淬得到的玻璃顆粒在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h"6 h，烘乾後得到玻璃粉體；4)將步驟I)和步驟3)中所製備的(CapySry)TiO3粉體和玻璃粉體按比例混合，混合工藝為在行星式球磨機中加入球磨介質和磨球研磨5 h^6 h;烘乾後，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料粉體。所述球磨介質為去離子水或無水乙醇。所述反應物為Ba0、Sr0、Ca0、H3B03、Si02、Al203、Bi203、Zr02、B203 和 La2O3 中的多種。一種介質阻擋層材料的應用方法，將玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料用於等離子體放電分解二氧化碳，所述介質阻擋層材料設置在反應器內，在接地電極和高壓電極之間並與接地電極接觸，其與高壓電 極之間形成放電間隙，其具體步驟如下I)將玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料粉體加入濃度為I wt%的聚乙烯醇粘接劑溶液中，其中每克介質阻擋層材料粉體使用O. 05 mL聚乙烯醇溶液，在8 MPa壓力下成型，獲得直徑為10 mnT30 mm、厚度為I mm的樣品；2)將成型後得到的樣品在1150 ° (Γ1200 ° C溫度範圍內燒結，保溫時間為2h^3 h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品；3)將步驟2)所得到的玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品，設置在反應器內接地電極上，用於等離子體放電分解二氧化碳。本發明的有益效果為本發明方法所製備的介質阻擋層材料可用於等離子體放電分解二氧化碳，可使二氧化碳的轉化率和能量利用效率均得到顯著提高。
圖1為介質阻擋層材料進行放電分解二氧化碳的實驗裝置示意圖；圖2為介質阻擋層材料進行放電分解二氧化碳的實驗反應器示意圖；圖3為實施例1中介質阻擋層材料的X射線衍射結果；圖4為實施例2中介質阻擋層材料的掃描電鏡照片，其中圖4a、圖4b和圖4c分別為玻璃質量分數為O. 5 wt%U被％和5 wt%時介質阻擋層材料的掃描電鏡照片；圖5是實施例3中不同燒結溫度下介質阻擋層材料的室溫介電常數和介電損耗結果;圖6是實施例3中不同燒結溫度下介質阻擋層材料的交流擊穿場強結果。
具體實施例方式本發明提供了一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。實施例1I)採用固相合成法製備(Caa8Sra2)TiO3粉體，首先以純度大於99%的SrC03、CaCO3^TiO2為起始原料，按照(Caa8Sra2)TiO3的化學計量比配料，然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後在1100 ° (Γ1150 ° C溫度下保溫2 tT4 h煅燒合成，即得所需鈣鈦礦結構的(Caa8Sra2)TiO3粉體；2)以純度大於 99% 的 Ca。、B2O3' SiO2 為起始原料，按照 CaO =B2O3 Si02=42. 26 15. 58 42. 16的化學計量比配料,然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 tT6h，烘乾後在1200 ° (Γ1500 ° C溫度下保溫2 h^3 h熔融；3)將步驟2)中所得到的高溫熔體進行快速水淬，再將水淬得到的玻璃顆粒在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h"6 h，烘乾後得到特定組成的玻璃粉體；4)將步驟I)和步驟3)中製備的鈦酸鍶鈣粉體和玻璃粉體分別按照x=0. 5 wt%、x=l wt%和x=5 wt%的比例分別混合,混合工藝為在行星式球磨機中加入球磨介質和磨球研磨5 tT6 h;烘乾後，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷粉料；5)將步驟4)得到的混合物料加入濃度為I wt%的聚乙烯醇粘接劑溶液中，其中每克介質阻擋層材料粉體使用O. 05 mL聚乙烯醇溶液，在8 MPa壓力下成型，獲得直徑為10mnT30 mm、厚度約為I _的樣品；6)將成型後得到的樣品在1150 ° (Γ1200 ° C溫度範圍內燒結，保溫時間為2h^3 h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品，用於等離子體放電分解二氧化碳；7)將步驟6)所得到的玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品，再經過絲網印刷塗覆粘結性能和導電性能良好的中溫銀漿料(北京誠恩電子有限公司購得)，在500 ° (Γ600 ° C溫度下燒滲20 mirT30 min，固化形成金屬銀電極，即可用於電性能測量。介質阻擋層放電實驗裝置及實驗條件反應條件為常溫常壓密閉反應，反應時溫度不超過180 ° C。為了能夠觀察放電情況，反應器採用石英作為外殼。上下兩電極均為鋁電極，阻擋層材料放在下電極的上面。決定反應器性能的關鍵因素是氣密性和上下電極的平行度。為了保證氣密性，反應器的上下各部分都裝有密封圈，經測試表明反應器的氣密性良好。經放電測試表明上下電極平行度良好，放電微觀通道均勻地分布在放電空間內。反應系統示意圖如圖1所示，整個反應系統包括電路、氣路和氣體分析測試三大部分，等離子體電源提供反應所需能量，氣體通入反應器之後，出來的氣體成分用氣相色譜分析，反應放電參數由示波器採集。圖1中R=50 Ω，C=O. 47F，R2 = R1=IOOO,放電時通過切換開關K可以在C與R之間進行切換。當與電容C接通時可以通過示波器的讀數計算放電時的總電量，當與電阻R接通時可以通過示波器(美國Tektroix DP03014)的讀數計算得出放電時的電流。輸出電壓是通過兩個分壓電阻的關係間接給出的。放電的電流電壓波形由示波器檢測，反應後的氣體成分由氣相色譜儀(美國安捷倫科技公司6820)和填充柱(北京北分天普儀器技術公司TDX-01)進行檢測。除反應中更換不同介質阻擋層材料之外，其他所有條件都是固定的等離子體電源電壓為50 V，放電間隙為O. 5 mm，阻擋層材料樣品的厚度為I mm，進氣比為N2:C02=9:1，進氣流速為300 ml/min。二氧化碳的轉化率(Ccq2)的計算公式為
權利要求
1.一種介質阻擋層材料，其特徵在於所述介質阻擋層材料為玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷材料，其中玻璃的質量分數為X，其餘組分為(CahSry)TiO3，其中，0. 5 wt%彡x彡5 wt%,0.1 < y < 0. 3。
2.一種如權利要求1所述的介質阻擋層材料的製備方法，其特徵在於首先調節上述鈦酸鍶鈣陶瓷材料中I的比例，採用固相合成法製備鈦酸鍶鈣粉體；然後採用純度大於99%的原料，按照比例配料，經過高溫熔融、水淬、球磨磨細得到所需組成的玻璃粉料；再將所得玻璃粉料與鈦酸鍶鈣粉體按照一定比例在行星球磨機中加入球磨介質混合5 h^6 h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料，其具體步驟如下 1)採用固相合成法製備(Cai_ySry)Ti03粉體，首先以純度大於99%的SrCO3、CaCO3JiO2為起始原料，按照(CahSry)TiO3的化學計量比配料，然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後在1100 ° (T1150 ° C溫度下保溫2 h^4 h煅燒合成，即得所需鈣鈦礦結構的(Cai_ySry)Ti03粉體； 2)以純度大於99%的反應物為起始原料，按照化學計量比配料，然後將這些原料在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後在1200 ° (T1500 ° C溫度下保溫2 h^3h熔融，得到高溫熔體； 3)將步驟2)中所得到的高溫熔體進行快速水淬，再將水淬得到的玻璃顆粒在行星球磨機中加入球磨介質研磨5 h^6 h，烘乾後得到玻璃粉體； 4)將步驟I)和步驟3)中所製備的(Cai_ySry)Ti03粉體和玻璃粉體按比例混合，混合エ藝為在行星式球磨機中加入球磨介質和磨球研磨5 h^6 h;烘乾後，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料粉體。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述球磨介質為去離子水或無水こ醇。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於所述反應物為Ba0、Sr0、Ca0、H3B03、SiO2、Al203、Bi203、Zr02、B203 和 La2O3 中的多種。
5.一種如權利要求1所述的介質阻擋層材料的應用方法，其特徵在於，將玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料用於等離子體放電分解ニ氧化碳，所述介質阻擋層材料設置在反應器內，在接地電極和高壓電極之間並與接地電極接觸，其與高壓電極之間形成放電間隙，其具體步驟如下 1)將玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料粉體加入濃度為Iwt%的聚こ烯醇粘接劑溶液中，其中每克介質阻擋層材料粉體使用0.05 mL聚こ烯醇溶液，在8 MPa壓カ下成型，獲得直徑為10 mnT30 mm、厚度為I mm的樣品； 2)將成型後得到的樣品在1150° (T1200 ° C溫度範圍內燒結，保溫時間為2 h^3 h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品； 3)將步驟2)所得到的玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷樣品，設置在反應器內接地電極上，用於等離子體放電分解ニ氧化碳。
全文摘要
本發明特別涉及一種介質阻擋層材料及其製備與應用方法，屬於功能陶瓷材料領域。本發明介質阻擋層材料為玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷材料，其中玻璃的質量分數為x，其餘組分為(Ca1-ySry)TiO3，其中，0.5wt%≤x≤5wt%，0.1≤y≤0.3；首先調節上述鈦酸鍶鈣陶瓷材料中y的比例，採用固相合成法製備鈦酸鍶鈣粉體；然後採用純度大於99%的原料，按照比例配料，經過高溫熔融、水淬、球磨磨細得到所需組成的玻璃粉料；再將所得玻璃粉料與鈦酸鍶鈣粉體按照一定比例在行星球磨機中加入球磨介質混合5h～6h，得到玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料；本發明所製備玻璃摻雜的鈦酸鍶鈣陶瓷介質阻擋層材料可用於等離子體放電分解二氧化碳，可使二氧化碳的轉化率和能量利用效率均得到顯著提高。
文檔編號C04B35/47GK103044022SQ201210586820
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者張勇, 汪向榮 申請人:清華大學