Способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, и устройство для его осуществления


 


Владельцы патента RU 2569538:

Общество с ограниченной ответственностью "Новые энергетические технологии" (RU)

Изобретение может быть использовано в производстве водородсодержащих наночастиц. Способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, включает лазерную абляцию массивной металлической мишени, помещенной в жидкость с протонным типом проводимости. В процессе абляции на мишень подается отрицательное смещение по отношению к погруженному в рабочую жидкость аноду. Устройство для получения указанных наночастиц включает абляционную камеру с пробкой и входным оптическим окном для лазерного излучения, массивную металлическую мишень, помещенную в жидкость, заполняющую абляционную камеру. Вне пределов абляционной камеры расположен лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение через оптическое окно на мишень. Устройство снабжено расположенным вне абляционной камеры источником постоянного тока и погруженными в рабочую жидкость анодом, выполненным из химически нейтрального проводящего материала, и катодом, выполненным из материала с высокой электропроводностью. Катод электрически соединен с мишенью. Изобретение позволяет получить насыщенные водородом наночастицы алюминия, титана, палладия, золота, железа, увеличить скорость их получения, снизить энергетические затраты, упростить процесс и оборудование. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к области получения водородсодержащих наночастиц.

Известен способ получения наночастиц алюминия и титана, насыщенных водородом, включающий лазерную абляцию в кювете с твердой алюминиевой или титановой мишенью, закрепленной на дне кюветы, массивной алюминиевой или титановой мишени в рабочей жидкости, обогащенной молекулярным водородом, пропускаемым через жидкость до и в процессе лазерной абляции [P.G. Kuzmin, G.A. Shafeev, G. Viau, В. Warot-Fonrose, M. Barberoglou, E. Stratakis, C. Fotakis; Applied Surface Science; 258 (2012) 9283- 9287]. В качестве рабочей жидкости использовался этанол, пропанол или вода, очищенная обратным осмосом.

Известно устройство для получения алюминиевых наночастиц, насыщенных водородом, путем лазерной абляции массивной металлической мишени в жидкости. включающее в себя плоскодонную кювету, заполненную рабочей жидкостью, на дне которой закреплена металлическая мишень, лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение на поверхность мишени через слой рабочей жидкости, и систему пропускания газообразного водорода через рабочую жидкость [P.G. Kuzmin, G.A. Shafeev, G. Viau, В. Warot-Fonrose, M. Barberoglou, E. Stratakis, С. Fotakis; Applied Surface Science; 258 (2012) 9283-9287]. В качестве источника лазерного излучения использовались лазеры на парах меди, титан-сапфировый лазер, лазер на неодимовом стекле.

Недостатком известных способа и устройства является необходимость насыщать водородом весь объем жидкости, циркулирующей через кювету, до и во время лазерной абляции путем пропускания газа через жидкость, что усложняет и удорожает оборудование и технологический процесс в целом, приводит к нестабильности фокусировки лазерного излучения, снижает эффективность абляции и насыщения наночастиц водородом, уменьшает скорость получения наночастиц алюминия, насыщенных водородом и повышает энергозатраты на их получение.

Технический результат предлагаемого способа и устройства заключается в увеличении скорости получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, и в снижении энергозатрат на их получение, а также в упрощении процесса и оборудования для их получения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, включающем лазерную абляцию массивной металлической мишени, помещенной в жидкость с протонным типом проводимости, в процессе абляции на мишень подается отрицательное смещение по отношению к погруженному в рабочую жидкость аноду.

Указанный технический результат достигается также тем, что отрицательное смещение мишени по отношению к погруженному в рабочую жидкость аноду лежит в диапазоне от десятков до сотен вольт, а рабочий ток составляет несколько сотен миллиампер.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве жидкости с протонным типом проводимости используют воду, или спирты, или органические нитраты.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, в жидкости с протонным типом проводимости, включающее абляционную камеру с пробкой и входным оптическим окном для лазерного излучения, массивную металлическую мишень, помещенную в жидкость, заполняющую абляционную камеру, и расположенный вне пределов абляционной камеры лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение через оптическое окно на мишень, дополнительно снабжено расположенным вне абляционной камеры источником постоянного тока и погруженными в рабочую жидкость анодом, выполненным из химически нейтрального проводящего материала, и катодом, выполненным из материала с высокой электропроводностью и электрически соединенным с мишенью.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве материала катода используют металлы и полупроводники.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве проводящего материала анода используют графит или благородные металлы.

Указанный технический результат достигается также тем, что поверхность катода, расположенная в жидкости, защищена изолирующим кожухом.

Сущность поясняется Фиг.1, где: 1 - абляционная камера, 2 - пробка, 3 - источник постоянного тока, 4 - катод, 5 - изолирующий кожух для катода, 6 - анод, 7 - металлическая мишень для лазерной абляции, 8 - пучок лазерного излучения, 9 - фокусирующая линза, 10 - источник лазерного излучения с оптической системой, 11 - входное окно для лазерного излучения, 12 - рабочая жидкость.

Предлагаемое устройство для получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, в жидкости с протонным типом проводимости содержит абляционную камеру 1, изготовленную из металла или стекла, с пробкой 2, с входным оптическим окном 11 для лазерного излучения 8, массивную металлическую мишень 7, помещенную в рабочую жидкость 12, заполняющую абляционную камеру 1, и расположенный вне пределов абляционной камеры 1 источник лазерного излучения с оптической системой доставки лазерного излучения 10, фокусирующей лазерное излучение 8 линзой 9. Ввод лазерного излучения осуществляется через входное оптическое окно 11 на мишень 7. Расположенный вне абляционной камеры источник постоянного тока 3 и анод 6, погруженный в рабочую жидкость 12, и токопроводящий катод 4, выполненный из хорошо проводящего материала (металлов или полупроводников), с изолирующим кожухом 5, выполненный из диэлектрического материала, например пластмассы. Анод 6, выполненный из химически нейтрального (устойчивого к воздействию рабочей жидкости при протекании электрического тока) проводящего материала, например графита или благородных металлов, соединен с положительным выходом источника тока 3, а отрицательный выход источника тока 3 соединен с катодом 4, который другим своим концом электрически соединен с мишенью. Изолирующий кожух 5 для катода 4 способствует снижению площади контакта катода с рабочей жидкостью.

Предлагаемый способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, осуществляют следующим образом. В абляционную камеру 1 устанавливают массивную металлическую мишень 7, выполненную из алюминия или титана, затем заполняют абляционную камеру 1 рабочей жидкостью с протонным типом проводимости (например, этиловым спиртом, или водой, или изопропил нитратом). От источника питания 3 подают постоянное напряжение между анодом 6 и катодом 4 от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Катодное смещение электрохимического потенциала аблируемого катода приводит к выделению газообразного водорода непосредственно на мишени. Количество водорода, восстанавливаемого из рабочей жидкости на мишени, пропорционально протекающему току. Рабочее напряжение зависит от проводимости рабочей жидкости. Оптимальным режимом является тот, при котором скорость выделения водорода достигает максимума. После этого на мишень 7 направляют сфокусированный лазерный пучок 8, плотность мощности которого на мишени достаточна для ее абляции (1011-1014 Вт/см2). В результате расплавленный диспергируемый материал мишени оказывается непосредственно в области рабочей жидкости, наиболее обогащенной водородом. Часть водорода, растворенного в жидкости, переходит в наночастицы и не успевает их покинуть за время остывания наночастиц. Полученные наночастицы металла, насыщенные водородом, отделяют от рабочей жидкости 12 путем седиментации или центрифугирования рабочей жидкости.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Абляционную камеру 1 заполняют рабочей жидкостью 12 с протонным типом проводимости (например, этиловым спиртом). Между анодом 6 и катодом 4 от источника питания 3 подают постоянное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Катодное смещение электрохимического потенциала аблируемой мишени 7 приводит к выделению газообразного водорода непосредственно на мишени. Количество водорода, восстанавливаемого из рабочей жидкости 12 на мишени 7, пропорционально протекающему току. Рабочее напряжение зависит от проводимости рабочей жидкости. Оптимальным режимом является тот, при котором скорость выделения водорода достигает максимума. После этого с источника лазерного излучения с оптической системой 10 на мишень 7 направляют сфокусированный с помощью фокусирующей линзы 9 лазерный пучок 8, плотность мощности которого на мишени 7 достаточна для ее абляции (1011-1014 Вт/см2). Расплавленный диспергируемый материала мишени 7 оказывается непосредственно в области рабочей жидкости, наиболее обогащенной водородом. Часть водорода, растворенного в жидкости, переходит в наночастицы и не успевает его покинуть за время остывания наночастицы. Сбор коллоидного раствора наночастиц осуществляют при открытии пробки 2. Затем полученные наночастицы металлов, насыщенные водородом, отделяют от рабочей жидкости с помощью седиментации или центрифугирования рабочей жидкости.

Ниже приведены конкретные примеры использования предлагаемого способа.

Пример 1. В качестве аблируемой мишени использована мишень из алюминия. В качестве рабочей жидкости использован этиловый спирт. Рабочее напряжение между анодом 6 и катодом 4 составляло 26 В, ток составлял 0,1 А. Размер наночастиц 20-200 нм.

Пример 2. В качестве аблируемой мишени использована мишень из титана. В качестве рабочей жидкости использован изопропиловый спирт. Рабочее напряжение между анодом 6 и катодом 4 составляло 24 В, ток составлял 0,2 А. Размер наночастиц 20-150 нм.

Пример 3. В качестве аблируемой мишени использована мишень из титана. В качестве рабочей жидкости использована вода. Рабочее напряжение между анодом 6 и катодом 4 составляло 25 В, ток составлял 0,1 А. Размер наночастиц 50-150 нм.

Во всех примерах использовался лазер на неодимовом стекле с длиной волны 1064 нм, частотой повторения 200 кГц, длительностью импульса 10 не и средней мощностью 14 Вт. Скорость генерации наночастиц составляет 50-100 мг наночастиц в час.

Предлагаемые способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, и устройство для его осуществления обеспечивают возможность насыщать водородом только зону абляции металлической мишени (водород выделяется лишь на самой мишени) и не насыщать водородом весь остальной объем рабочей жидкости, что дает возможность увеличить скорость получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, а также существенно снизить энергетические затраты на проведение процесса и повысить его эффективность. Предлагаемые способ и устройство могут быть использованы для получения наночастиц различных металлов, насыщенных водородом (алюминия, титана, палладия, золота, железа и других).

1. Способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, включающий лазерную абляцию массивной металлической мишени, помещенной в рабочую жидкость с протонным типом проводимости, в качестве которой используют воду, или спирты, или органические нитраты, отличающийся тем, что в процессе абляции на мишень подают отрицательное смещение по отношению к погруженному в рабочую жидкость с протонным типом проводимости аноду.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отрицательное смещение мишени по отношению к погруженному в рабочую жидкость аноду лежит в диапазоне от десятков до сотен вольт, а рабочий ток составляет несколько сотен миллиампер.

3. Устройство для получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, в рабочей жидкости с протонным типом проводимости, в качестве которой используют воду, или спирты, или органические нитраты, включающее абляционную камеру с пробкой и входным оптическим окном для лазерного излучения, массивную металлическую мишень, помещенную в жидкость, заполняющую абляционную камеру, и расположенный вне пределов абляционной камеры лазер с оптической системой, фокусирующей лазерное излучение через оптическое окно на мишень, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено расположенным вне абляционной камеры источником постоянного тока и погруженными в рабочую жидкость с протонным типом проводимости анодом, выполненным из химически нейтрального проводящего материала, и катодом, выполненным из материала с высокой электропроводностью и электрически соединенным с мишенью.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве материала катода используют металлы и полупроводники.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве химически нейтрального проводящего материала анода используют графит или благородные металлы.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поверхность катода, расположенная в жидкости, защищена изолирующим кожухом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный твердотельный лазер содержит активный элемент, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, а также резонатор, включающий призму-крышу и плоское зеркало, установленные с противоположных торцов активного элемента таким образом, что ребро призмы-крыши и грань плоского зеркала перпендикулярны оптической оси активного элемента, размещенного рядом с лампой накачки в отражателе.

Предлагаемое изобретение относится к вертикально-излучающим лазерам с брэгговскими отражателями на основе наногетероструктур, работающим в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание вертикально излучающих лазеров с однородными слоистыми металлическими контактами, находящимися внутри резонатора, с повышенным коэффициентом полезного действия и улучшенными параметрами лазерного излучения. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является снижение электрического сопротивления структуры, обеспечение однородности электрического тока накачки, а также подавление поглощения света металлическими слоями. Результат достигается за счет того, что внутрь резонатора вертикально излучающего лазера с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами, между брэгговским отражателем и активной областью вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля, причем толщина слоев брэгговского отражателя, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев брэгговского отражателя, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный двухрежимный твердотельный лазер содержит поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), выполненный с ВКР-преобразованием, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора и лампу накачки.

Изобретение относится к области лазерных технологий. Способ получения оптического разряда в газе состоит в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче лазера в течение длительности его воздействия.

Изобретение относится к области лазерной физики и технике формирования мощных импульсов СО2 лазера. Оно обеспечивает генерацию коротких импульсов большой энергии, имеющих минимальную угловую расходимость, что позволяет получать высокоинтенсивные пучки СО2 лазера, предназначенные, в частности, для создания лазерно-плазменного источника ионов. Устройство состоит из одномодового задающего генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы СО2, оптической системы согласования и трехпроходового СО2-усилителя, образованного широкоапертурной активной средой СО2 лазера и резонансно-поглощающей ячейкой SF6+N2 (воздух) атмосферного давления, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое и малое выпуклое зеркала.

Использование: для создания лазеров пикосекундного диапазона (от УФ до ИК области спектра) в устройствах оптоэлектроники, оптической связи, при исследовании быстропротекающих процессов в биологических тканях и в регистрирующих приборах.

Изобретение относится к области генерирования СВЧ колебаний и может использоваться в системе электропитания, связи, телеметрии. Достигаемый технический результат - повышение качества информации, передаваемой по СВЧ трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, увеличение КПД.
Изобретение относится к лазерной технике и технике формирования пучков заряженных частиц и генерации потоков электромагнитного излучения. Изобретение может использоваться, в частности, для разработки и получения источников импульсного (когерентного) электромагнитного ионизирующего излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах спектра.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство для формирования объемного самостоятельного разряда содержит герметичный корпус, в котором вдоль оси установлены два протяженных профилированных электрода, гальванически связанных с импульсным источником питания.

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к определению критической концентрации одной из фаз в многофазной системе. Способ определения концентрационного положения порога перколяции в наногранулированных композитных материалах с системой фаз металл-диэлектрик включает определение концентрации металлической фазы и определение электрического сопротивления композитных материалов до и после термообработки.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ изготовления наноразмерного твердого сплава включает приготовление смеси из наноразмерных порошков карбида вольфрама и кобальта, прессование ее в стальной пресс-форме и спекание в вакууме.

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам конструкционного назначения и способу его получения. Материал может быть использован для изготовления высокопрочных изделий, преимущественно в медицинской области в качестве эндопротезов суставов.

Изобретение может быть использовано для получения функционализированных углеродных наноматериалов. Углеродные нанотрубки озонируют в проточном сосуде в присутствии трёхокиси серы или азотной кислоты, ускоряющих воздействие озона на их поверхность.

Изобретение относится к решеткам дипольных нанолазеров. Устройство включает в себя подложку, на которой находится активный слой, прозрачный проводящий слой, прозрачный диэлектрический слой, металлические наночастицы-наноантенны.

Изобретение относится к получению наноструктурированных порошков металлических сплавов. Наноструктурированный порошок твердого раствора кобальт-никель состоит из первичных частиц в виде кобальтоникелевых наноблоков размерами 5-20 нм, агломерированных во вторичные частицы размерами 100-200 нм сферической формы.

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к новым нанокристаллам золота и распределению форм нанокристаллов, которые имеют поверхности, которые не содержат органические загрязнения или пленки.

Изобретение предназначено для использования в химической, химико-металлургической, в авиационной и космической отраслях промышленности. Формируют каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) из низкомодульных углеродных волокон, заполняют его поры дисперсным углеродным наполнителем путем выращивания в них каталитическим методом в газовой фазе наноразмерного углерода в форме частиц, волокон или трубок до его содержания 3,7-10,9% от веса волокнистого каркаса.

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок графена, которые могут быть использованы в качестве прозрачного проводящего покрытия. Способ включает гетероэпитаксиальное выращивание тонкой пленки графена на тонкой пленке катализатора, нанесение покрытия на основе полимера на поверхность тонкой пленки графена, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки катализатора, отверждение покрытия на основе полимера и отслаивание тонкой пленки графена и покрытия на основе полимера от тонкой пленки катализатора, при этом тонкую пленку катализатора располагают на несущей подложке, сформированной со стороны тонкой пленки катализатора, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки графена, и между несущей подложкой и каталитической тонкой пленкой располагают тонкую пленку разделительного слоя из оксида цинка.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°С в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия).

Группа изобретений относится к сорбентам на основе наноалмазов, которые могут быть использованы для иммобилизации или удаления вирусов, специфических антител, иммуносорбции, в диагностических целях, для дезактивации и удаления вирусов из внешней среды.
Наверх