一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法与装置

本发明涉及一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法与装置，属于纳米材料。

背景技术：

1、纳米黑磷由于具有高的理论比容量、高的载流子迁移率、可调的直接带隙等特点在储能、催化、场效应晶体管等领域具有较好的应用前景。然而单一纳米黑磷应用时存在稳定性差的问题，通过将纳米黑磷与其他材料复合，提升其稳定性的同时两者还能协同发挥出更优异的性能。目前，纳米黑磷基材料的制备方法主要有球磨法、高压法、溶剂热法和化学气相沉积法。其中，高压法所需条件苛刻；球磨法制备能耗高；溶剂热法制备的纳米黑磷晶型差。相比之下，化学气相沉积法具有操作简单、制备出的纳米黑磷晶型好的特点，有望实现纳米黑磷基材料的高效制备。

2、然而，传统的化学气相沉积法是通过温度梯度的调控实现纳米黑磷基材料的合成。若对整个反应区域采取温度梯度，容易导致黑磷成核位点过于集中，制备出的黑磷尺寸偏大难以达到纳米级。若对整个反应区域采取无温度梯度，黑磷的成核位点相对分散，解决了制备出的黑磷尺寸偏大的问题，但由于区域浓度一致，导致黑磷的生长位置具有随机性，且基底材料常堆积于某一固定位置，复合效率低、复合不均匀的问题难以解决。

3、而流态化技术则能有效解决上述问题。因此，在化学气相沉积法的基础上，开发一种基于流态化技术纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法与装置，对于推动纳米黑磷基材料在更多领域的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法与装置，通过控制碳材料及生成纳米黑磷基材料在气流作用下的流化状态，实现纳米黑磷基材料的连续化制备，得到制备效率高、复合均匀的纳米黑磷基材料。

2、本发明提出的流化床连续化制备纳米黑磷基材料的制备方法，具体步骤如下：

3、(1)将磷源置于储料罐内并对储料罐进行加热操作，通过加热使磷源转化为p4分子；

4、(2)利用输送装置将p4分子输送至固定床反应器内，并对固定床反应器进行加热，p4分子通过反应器内的干燥剂固定床进行干燥处理，干燥后的p4分子与磷碘锡催化剂固定床反应生成过渡态气体；

5、(3)将过渡态气体送至流化床反应器内，对流化床反应器进行加热操作，在惰性气流下，与碳材料进行流态化运动，减小黑磷尺寸的同时实现纳米黑磷在碳材料上的均匀负载，生成纳米黑磷基材料。

6、所述步骤(1)中磷源为任意形态的单质磷或磷化物；

7、所述步骤(1)中储料罐的加热温度≥40℃；

8、所述步骤(2)中固定床反应器加热温度≥280℃；

9、所述步骤(2)中干燥剂包括吸水树脂干燥剂、硅胶干燥剂、氯化钙干燥剂等能除去潮湿物质中水分的物质；

10、所述步骤(3)中流化床反应器加热温度为≥400℃；

11、所述步骤(3)中惰性气流为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的任意一种或几种任意比例混合；

12、所述步骤(3)中碳材料包括石墨烯、碳纳米管、多孔碳等。

13、本发明设计的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法与装置，包括原料储料罐、流体输送泵、流体流量计、阀门开关、惰性气体入口管道、固定床反应器、流化床反应器、进料口管道、气体出口管道和密封闸阀。黄磷储料罐与流体输送泵相通，固定床反应器与流体输送泵连接，固定床反应器前端和尾端设有阀门开关，固定床反应器前端设有流体流量计，流化床反应器顶端设有气体出口，流化床反应器斜上方设有进料口，流化床反应器底部设有气体出口，流化床反应器底部与密封闸阀连接，流化床反应器斜下方设有惰性气体入口，流化床反应器斜下方设有管道与固定床反应器相连。

14、进一步的，所述固定床反应器内设有干燥剂固定床和催化剂固定床；

15、进一步的，所述固定床反应器尾端设有压力控制器；

16、进一步的，所述进料口是由流化床反应器顶部侧面插入；

17、进一步的，所述惰性气体入口是由流化床反应器底部侧面插入；

18、进一步的，所述固定床反应器与流化床反应器连接处为三通调节阀，其中两个端口分别连接固定床反应器、流化床反应器，另一端口为惰性气体入口；

19、进一步的，所述整个反应装置内部或外部设有加热装置。

20、本发明的方法与装置，在固定床反应器中发生催化反应，生成过渡态气体，在流化床反应器中经过流态化运动生成纳米黑磷，并沉积于碳材料上生成纳米黑磷基材料。该方法的装置结构简单，方法易操作，可连续化制备出特定尺寸的纳米黑磷基材料，有利于实现纳米黑磷基材料的低成本、规模化制备。本发明涉及的装置还具有以下几个明显的特点：

21、1、利用该装置可一步制备出纳米黑磷基材料。

22、2、该装置具有普适性，适用于大多数的化学沉积法制备纳米复合材料。

23、3、可连续地进料、出料以及催化剂的更换，实现纳米黑磷基材料的连续化制备。

24、4、通过对流化床内流态化运动状态和过渡态分子浓度的调控，可实现纳米黑磷基材料的可控制备。

技术特征：

1.一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(1)中磷源为任意形态的单质磷或磷化物。

3.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(1)中储料罐的加热温度≥40℃。

4.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(2)中固定床反应器加热温度≥280℃。

5.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(2)中干燥剂包括吸水树脂干燥剂、硅胶干燥剂、氯化钙干燥剂等能除去潮湿物质中水分的物质。

6.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(3)中流化床反应器加热温度为≥400℃。

7.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(3)中惰性气流为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的任意一种或几种任意比例混合。

8.根据权利要求1所述的一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，其特征在于：步骤(3)中碳材料包括石墨烯、碳纳米管、多孔碳等。

9.一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备装置，其特征在于该装置包括原料储料罐、流体输送泵、流体流量计、阀门开关、惰性气体入口管道、固定床反应器、流化床反应器、进料口管道、气体出口管道和密封闸阀；所述的原料储料罐与流体输送泵相通，固定床反应器与流体输送泵连接，固定床反应器前端和尾端设有阀门开关，固定床反应器前端设有流体流量计，固定床反应器尾端设有压力控制器，流化床反应器顶端设有气体出口，流化床反应器斜上方设有进料口管道，流化床反应器底部设有气体出口，流化床反应器底部与密封闸阀连接，流化床反应器斜下方设有惰性气体入口管道，流化床反应器斜下方设有管道与固定床反应器相连，整个反应装置内部或外部设有加热装置。

技术总结
本发明涉及一种纳米黑磷基材料的低成本规模化制备方法，首先将磷源置于储料罐内，然后将其输送至固定床反应器进行催化反应生成过渡态分子，最后将过渡态分子输送至流化床反应器内，在惰性气流下，与碳材料进行流态化运动，在流化床反应器的下端得到纳米黑磷基材料。本发明的方法和装置，在固定床反应器中发生催化反应生成过渡态气体，在流化床反应器中经过流态化运动减小黑磷尺寸的同时实现纳米黑磷在碳材料上的均匀负载。该方法的装置结构简单，方法易操作，可连续化制备出特定尺寸的纳米黑磷基材料，有利于实现纳米黑磷基材料的低成本、规模化制备。

技术研发人员：廉培超,吴兆贤,李开鹏,卢晓敏,李文豪,梅毅
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13