CN115261796B - 脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置及方法，将金属粉末和碳粉末混合，形成金属和碳的混合粉末；同时启动纳米纤维释放部件和纳米纤维收集部件，纳米纤维膜在碳化隧道炉内经碳化处理形成碳纳米纤维膜，碳纳米纤维膜向前移动进入反应腔体内，将混合粉末添加于反应腔体内的第一铜电极板和第二铜电极板之间，第一铜电极板和第二铜电极板向对面移动，压缩混合粉末，脉冲放电电路工作，将第一铜电极板和第二铜电极板之间的混合粉末气化为气态纳米金属粒子，气态纳米金属粒子向上扩散冷凝并沉积到碳纳米纤维上，形成纳米金属粒子负载碳纳米纤维膜；本发明能实现碳纳米纤维负载纳米金属粒子的大批量，高效率和工业化生产。

Description

脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料领域中特种功能碳材料的合成及其电化学应用领域，具体涉及负载纳米金属粒子的碳纳米纤维的制备装置和方法。

背景技术

碳纳米纤维作为一种一维的纳米材料，具有巨大的比表面积和长径比，优异的导电性以及优异的化学稳定性，在电化学能量转换领域得到了广泛的应用。相较于其它传统的碳纳米材料，例如石墨烯、碳纳米管等，碳纳米纤维的制备和生产更加容易，因而有利于进行规模化的生产。因此，碳纳米纤维在燃料电池的空气电极、金属空气电池、电解水等装置中已经取得了广泛应用。此外，铂、钌等贵重金属在电催化还原、氧化还原反应中表现出优秀的活性和稳定性，若将它们制备成纳米颗粒，提升反应接触的表面积，可提升反应的效率和节约催化剂的使用量。因此，将贵重纳米金属粒子引入并负载在碳纳米纤维上能够进一步提升电化学反应的效率和降低反应的成本。

现有能够实现高效率制备碳纳米纤维引入纳米金属粒子的方法是：利用电容的脉冲放电产生焦耳热使得金属粉末气化形成纳米金属粒子并负载在相应的物质上。例如中国专利申请号为202110704558.8、名称为“一种高温热冲击制备金属粒子负载煤基石墨烯的方法”的文献中公开的制备石墨烯负载铁、钴、镍等纳米金属粒子的方法，这种制备方法相较于传统的负载纳米金属粒子的方法，例如化学还原法、电化学沉积法等虽然效率有所提高，但是这种方法和传统方法一样都只能少批量在实验室里进行生产，需要人为调控，没有比较成型的大型生产装置，无法解决大批量、高效率、工业化生产的问题。

发明内容

本发明针对现有脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的工艺存在只能小批量生产、需要人为调控、无法工业化生产等问题，提出了一种脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置及制备方法，能够实现高效率工业化生产。

为了解决上述技术问题，本发明脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置采用的技术方案是：包括由前至后依次布置的纳米纤维收集部件、反应腔体、碳化隧道炉和纳米纤维释放部件，纳米纤维释放部件上卷有纳米纤维膜，纳米纤维膜依次穿过碳化隧道炉和反应腔体后被纳米纤维收集部件收卷；所述的反应腔体内部设有一前一后的第一铜电极板和第二铜电极板这两个结构相同的铜电极板，两个铜电极板相对于反应腔体的中心前后对称布置，均位于穿过反应腔体内的纳米纤维膜的下方；两个铜电极板均各由垂直于纳米纤维膜的一个扁平长方体和平行于纳米纤维膜的一个细长圆柱体组成，两个扁平长方体在反应腔体内部且其间留有空间，其间添加有金属和碳的混合粉末；每个细长圆柱体穿过反应腔体的侧壁后各同轴依次固定串接一个绝缘连接器和一个电动伸缩杆的输出端；在反应腔体外部的每个所述的细长圆柱体外部紧密套有一个铜环电极；高压直流电源、电容器、第一个铜环电极、第一铜电极板、第二铜电极板、第二个铜环电极以及继电器相连接形成脉冲放电电路；电阻检测器、第一个铜环电极、第一铜电极板、第二铜电极板、第二个铜环电极相连接形成电阻检测电路；所述的纳米纤维膜经碳化隧道炉生成碳纳米纤维，金属和碳的混合粉末在反应腔体内经脉冲放电作用使纳米金属粒子负载在碳纳米纤维上。

进一步地，反应腔体上方设一个保护气体回收部件、下方设一个保护气体供应部件，反应腔体通过保护气体回收管路连接保护气体回收部件，通过保护气体供应管路连接保护气体供应部件。

进一步地，反应腔体的左侧壁开有反应腔体进门，右侧壁开有反应腔体出门，反应腔体进门和反应腔体出门均与第一铜电极板和第二铜电极板之间留有的空间相通。

进一步地，反应腔体内部为长方体的腔室，反应腔体在前后方向上的长度和碳化隧道炉在前后方向上的长度相一致。

进一步地，碳化隧道炉的后侧壁上开有碳化隧道炉入口、前侧壁开有碳化隧道炉出口，反应腔体的后侧壁开有反应腔体入口、前侧壁开有反应腔体出口，所述的反应腔体入口和碳化隧道炉出口紧密贴近。

进一步地，所述的一个铜环电极、一个绝缘连接器和一个电动伸缩杆的输出端三者的外径相同，在三者外部共同套有一个电动伸缩杆绝缘套。

本发明脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的方法采用的技术方案包括：

步骤1)：将金属粉末和碳粉末混合，形成金属和碳的混合粉末；

步骤2)：同时启动纳米纤维释放部件和纳米纤维收集部件同向旋转，当纳米纤维膜向前移动的距离等于碳化隧道炉前后方向的长度时，关闭纳米纤维释放部件和纳米纤维收集部件；

步骤3)：启动碳化隧道炉，纳米纤维膜在碳化隧道炉内经碳化处理形成碳纳米纤维膜，关闭碳化隧道炉；

步骤4)：同时启动纳米纤维释放部件和纳米纤维收集部件，使碳纳米纤维膜向前移动进入反应腔体内，关闭纳米纤维释放部件和纳米纤维收集部件；

步骤5)：将所述的混合粉末添加于反应腔体内的第一铜电极板和第二铜电极板之间，第一电动伸缩杆和第二电动伸缩杆工作，带动第一铜电极板和第二铜电极板向对面移动，压缩混合粉末；

步骤6)：电阻检测电路检测混合粉末的电阻值，当电阻值符合要求，混合粉末压缩致密；脉冲放电电路工作，将第一铜电极板和第二铜电极板之间的混合粉末气化为气态纳米金属粒子，气态纳米金属粒子向上扩散冷凝并沉积到反应腔体内的碳纳米纤维上，形成纳米金属粒子负载碳纳米纤维膜；

步骤7)：重复步骤2)-6)，直到纳米纤维释放部件上的纳米纤维膜全部释放完毕并全部收卷在纳米纤维收集部件上。

进一步地，步骤5)中，在混合粉末添加后，通过保护气体供应部件向反应腔体内通入氩气，同时通过保护气体回收部件回收反应腔体内通入的氩气。

进一步地，步骤6)中，脉冲放电电路的工作电压为500-1000V，电流为20-30A，放电周期为50-100ms。

进一步地，步骤3)中，碳化隧道炉碳化的温度为1000℃-1500℃。

本发明的创新点与优越性如下：

1、利用脉冲放电产生的超高温将金属迅速气化，金属原子冷凝到碳纳米纤维上形成纳米金属粒子，整个的过程只需要在几秒内完成，极大的提高了制备和生产的效率。

2、相较于原有的脉冲放电制备碳纳米纤维负载金属纳米粒子的设备只能够小批量的生产，本发明实现碳纳米纤维负载纳米金属粒子的大批量，高效率，工业化生产，同时，也实现了绿色生产制备。

3、本发明的纳米粒子制备过程不使用可能对环境造成损害的化学物质，因而环境友好。

4、本发明利用碳化隧道炉生产碳纳米纤维，并利用金属与碳的混合粉末作为原料，通过脉冲放电作用闪速制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子，将纳米纤维的碳化和纳米金属粒子的负载相结合，形成一条完整的生产线，工艺过程简单，成本低，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置的整体结构示意图；

图2为图1中反应腔体内部的结构放大示意图。

图3为图2中电动伸缩杆内部结构示意图和控制接线示意图；

图4为采用本发明装置制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的反应原理图。

图中：1：纳米纤维释放部件；2：碳化隧道炉；3：保护气体回收部件；4：保护气体回收管路；5：反应腔体；6：纳米纤维收集部件；7：第一电动伸缩杆；8：第一铜电极板；9：反应腔体进门；10：保护气体供应部件；11：保护气体供应管路；12：第二铜电极板；13：第二电动伸缩杆；14：反应腔体出门；15：电阻检测器；16：控制中心；17：电容器；18：高压直流电源；19：继电器；

201：碳化隧道炉入口；202：碳化隧道炉出口；501：反应腔体入口；502：反应腔体出口；701：第一电阻检测器通电槽；702：第一铜环电极；703：第一脉冲放电电路通电槽；704：第一绝缘连接器；705：第一电动伸缩杆驱动电机；706：第一电动伸缩杆伸缩杆体；707：第一电动伸缩杆绝缘套；

具体实施方式

参见图1和图2，本发明脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置包括纳米纤维释放部件1、碳化隧道炉2、反应腔体5、保护气体回收部件3、保护气体供应部件10和纳米纤维收集部件6，其中，纳米纤维收集部件6、反应腔体5、碳化隧道炉2和纳米纤维释放部件1由前至后依次布置。

纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6均是圆柱体形状，在空间是固定并且可以实现同向旋转。纳米纤维释放部件1上卷有纳米纤维膜，纳米纤维膜都卷成圆柱形，当纳米纤维释放部件1旋转时释放纳米纤维膜，本发明将纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6都水平放置，两者之间的纳米纤维膜前后水平。纳米纤维膜从纳米纤维释放部件1处释放，依次穿过碳化隧道炉2和反应腔体5后被纳米纤维收集部件6收卷。

在纳米纤维释放部件1的前侧是碳化隧道炉2，碳化隧道炉2在空间上固定，纳米纤维膜由后向前穿过碳化隧道炉2。在碳化隧道炉2的后侧壁上开有碳化隧道炉入口201，碳化隧道炉入口201的大小与纳米纤维释放部件1释放出的纳米纤维膜的厚度和宽度相一致，以确保纳米纤维能够顺利地进入碳化隧道炉2中，释放出的纳米纤维膜沿水平方向移动，碳化隧道炉入口201沿水平方向贯通。在碳化隧道炉2的前侧壁开有碳化隧道炉出口202，碳化隧道炉出口202的大小与有碳化隧道炉入口201相同，和纳米纤维膜的厚度和宽度相一致，以确保纳米纤维能够顺利地从碳化隧道炉2出来，碳化隧道炉入口201和碳化隧道炉出口202沿水平方向前后贯通。碳化隧道炉入口201与碳化隧道炉出口202在空间上的高度和释放的纳米纤维相一致，从碳化隧道炉出口202出来的纳米纤维依然前后水平。

在纳米纤维释放部件1的前侧是反应腔体5，反应腔体5在空间上固定。参见图2所示，反应腔体5是长方体的结构，且内部是为长方体的腔室。反应腔体5在前后水平方向上的长度和碳化隧道炉2在前后水平方向上的长度相一致。从碳化隧道炉2出来的纳米纤维膜进入反应腔体5并穿过反应腔体5。

反应腔体5上方设一个保护气体回收部件3、下方设一个保护气体供应部件10。反应腔体5通过保护气体回收管路4连接保护气体回收部件3，保护气体回收管路4为圆柱形，垂直并贯穿反应腔体5的上壁。反应腔体5通过保护气体供应管路11连接保护气体供应部件10，保护气体供应管路11为圆柱形，垂直并贯穿反应腔体5的下壁。

反应腔体5的后侧壁开有反应腔体入口501，反应腔体入口501和碳化隧道炉出口202紧密贴近，反应腔体入口501和碳化隧道炉出口202在空间上的高度相一致，反应腔体入口501的大小与纳米纤维膜的厚度和宽度相一致，以确保纳米纤维能够顺利的进入反应腔体5。由碳化隧道炉出口202释放出的纳米纤维膜沿反应腔体入口501在水平方向移动，反应腔体5的前侧壁开有反应腔体出口502，反应腔体入口501和反应腔体出口502沿水平方向前后贯通，反应腔体出口502的大小与纳米纤维膜的厚度和宽度相一致，以确保纳米纤维能够顺利的从反应腔体5释放。由反应腔体出口502释放出的纳米纤维膜沿反应腔体出口502在水平方向移动，反应腔体入口501与反应腔体出口502在空间上的高度和纳米纤维膜释放的高度相一致，反应腔体入口501与反应腔体出口502沿水平方向贯通。

在反应腔体5的左侧壁开有反应腔体进门9，反应腔体进门9可以沿着固定的合页铰链进行旋转，实现反应腔体进门9的开启和关闭。在反应腔体5的右侧壁开有反应腔体出门14，反应腔体出门14可以沿着固定的合页铰链进行旋转，实现反应腔体出门14的开启和关闭。反应腔体进门9和反应腔体出门14均与第一铜电极板8和第二铜电极板12之间留有的空间正对着，与留有的空间相连通。

纳米纤维收集部件6位于反应腔体5的前侧，纳米纤维收集部件6为圆柱体形状且垂直于前后面，纳米纤维收集部件6在空间是固定并且可以实现顺时针的旋转，纳米纤维收集部件6上卷有碳纳米纤维/金属纳米粒子膜，可通过顺时针旋转对其进行收集。

参见图2，在反应腔体5内部有第一铜电极板8和第二铜电极板12，第一铜电极板8和第二铜电极板12一前一后，位于穿过反应腔体5内部的纳米纤维膜的下方，并且与纳米纤维膜不接触。第一铜电极板8和第二铜电极板12垂直布置，与纳米纤维膜相垂直。第一铜电极板8和第二铜电极板12均各由垂直于纳米纤维膜的扁平长方体和平行于纳米纤维膜的细长圆柱体这两部分组成。两个扁平长方体在反应腔体5内部，第一铜电极板8和第二铜电极板12的扁平长方体两者之间在反应腔体5的内部留一定的空间，该空间与反应腔体进门9和反应腔体出门14相通。第一铜电极板8和第二铜电极板12的扁平长方体的中间各固定连接一个与扁平长方体相垂直的细长圆柱体，两个细长圆柱体均与纳米纤维膜相平行。第一铜电极板8的细长圆柱体穿过反应腔体5的前侧壁后同轴固定连接第一电动伸缩杆7，第一电动伸缩杆7在反应腔体5的外部。第二铜电极板12的细长圆柱体穿过反应腔体5的后侧壁后同轴固定连接第二电动伸缩杆13，第二电动伸缩杆13在反应腔体5的外部。第一电动伸缩杆7和第二电动伸缩杆13具有相同的中心轴，一前一后位于反应腔体5的外部。第一铜电极板8和第二铜电极板12的结构相同，一前一后地正对且平行，相对于反应腔体5的中心对称布置，第一电动伸缩杆7和第二电动伸缩杆13的结构相同，在空间上固定，相对于反应腔体5的中心对称布置。第一电动伸缩杆7能带动第一铜电极板8前后水平移动，第二电动伸缩杆13能带动第二铜电极板12前后水平移动，从而使反应腔体5内部的两个电极板之间的空间变大和变小。

参见图3，因第一铜电极板8和第二铜电极板12的结构相同，第一电动伸缩杆7和第二电动伸缩杆13的结构相同，所以以第一铜电极板8和第一电动伸缩杆7的连接为例：

第一电动伸缩杆7的输出端是第一电动伸缩杆伸缩杆体706，在第一电动伸缩杆伸缩杆体706和第一铜电极板8细长圆柱体部分之间固定连接第一绝缘连接器704，三者依次固定串联。第一绝缘连接器704和第一电动伸缩杆伸缩杆体706的外径相同，中心轴共线。第一铜电极板8细长圆柱体部分、第一绝缘连接器704和第一电动伸缩杆伸缩杆体706三者依次固定串接在一起，合为一个整体。在反应腔体5外部的第一铜电极板8细长圆柱体外部紧密套有第一铜环电极702，第一铜环电极702内壁与第一铜电极板8细长圆柱体外壁紧密贴合，两者固定。第一铜环电极702的轴向端部与第一绝缘连接器704相贴合。

第一铜环电极702、第一绝缘连接器704和第一电动伸缩杆伸缩杆体706三者的外径相同，在三者外部共同套有一个第一电动伸缩杆绝缘套707，第一电动伸缩杆绝缘套707壁与这三者的外壁紧密贴合。第一电动伸缩杆绝缘套707在空间上固定不动，第一电动伸缩杆绝缘套707内部的后段是第一铜环电极702、中间段是第一电动伸缩杆绝缘套707、前段是第一电动伸缩杆伸缩杆体706。

在靠近第一铜环电极702处的第一电动伸缩杆绝缘套707上开有第一电阻检测器通电槽701和第一脉冲放电电路通电槽703，两个通电槽与第一铜环电极702侧壁相垂直，并且两个通电槽与第一铜环电极702接触

第一电动伸缩杆7由第一电动伸缩杆驱动电机705驱动作前后伸缩，第一电动伸缩杆驱动电机705在空间上固定不动。

同理，在第二铜电极板12和第二电动伸缩杆13之间连接第二铜环电极、第二绝缘连接器，第二电动伸缩杆绝缘套。第二电动伸缩杆驱动电机驱动第二电动伸缩杆13作前后伸缩。第二铜环电极与第一铜环电极702的结构和连接相同，第二绝缘连接器与第一绝缘连接器704的结构和连接相同，第二电动伸缩杆绝缘套和第一电动伸缩杆绝缘套707的结构和连接相同。第二脉冲放电电路通电槽和第一脉冲放电电路通电槽703的结构相同。

在反应腔体5外部还设有电阻检测器15、控制中心16、电容器17、高压直流电源18和继电器19。将高压直流电源18、电容器17、第一铜环电极702、第一铜电极板8、第二铜电极板12、第二铜环电极以及继电器19相连接，形成脉冲放电电路，整体形成串联电路。脉冲放电电路与第一铜环电极702和第二铜环电极连接时，分别穿过第一脉冲放电电路通电槽703和第二脉冲放电电路通电槽。

将电阻检测器15、第一铜环电极702、第一铜电极板8、第二铜电极板12、第二铜环电极相连接，检测电路。检测电路与第一铜环电极702和第二铜环电极连接时，分别穿过第一电阻检测器通电槽701和第二电阻检测器通电槽。

控制中心16分别与电阻检测器15、继电器19、第一电动伸缩杆驱动电机705、第二电动伸缩杆驱动电机相连接。控制中心16连接继电器19，用于控制脉冲电路放电时的电压和电流以及放电周期。控制中心16连接电阻检测器15，用于检测第一铜电极板8和第二铜电极板12之间的电阻。控制中心16连接第一电动伸缩杆驱动电机705和第二电动伸缩杆驱动电机，用于分别控制第一铜电极板8和第二铜电极板12在前后方向上的伸缩距离。

参见图1-3并结合图4所示，本发明以纳米纤维作为生产碳纳米纤维的原料，以金属粉末作为纳米金属粒子的原料。纳米纤维经过碳化隧道炉2生成碳纳米纤维，同时，在反应腔体5内通过瞬间脉冲放电作用产生超高的温度将金属粉末气化，经过膨胀后气态的纳米金属粒子冷凝后，形成的固态纳米金属粒子负载在碳纳米纤维上，最终获得碳纳米纤维负载纳米金属粒子的产品。具体的制备方法如下：

步骤一：将需要负载的金属粉末和碳粉末按比例充分地混合，形成金属和碳的混合粉末。加入碳粉的目的是为了减少金属粉末间的相互接触，防止最终的脉冲放电使其烧结，让金属粉末更好地实现气化。

以制备碳化的聚丙烯腈纳米纤维负载铜、铂等纳米粒子为例，可按照金属粉末和碳粉末的体积比为5：1进行混合。

步骤二：在纳米纤维释放部件1上套上需要碳化的纳米纤维膜，并将纳米纤维膜引导并依次穿过碳化隧道炉入口201、碳化隧道炉2内部、碳化隧道炉出口202、反应腔体入口501、反应腔体5内部、反应腔体出口502，最后将纳米纤维膜套在纳米纤维收集部件6上。纳米纤维膜沿着碳化隧道炉入口201、碳化隧道炉出口202、反应腔体入口501、反应腔体出口502在水平方向上保持水平状态，并且在水平方向上纳米纤维膜保持微微的紧绷状态，以确保后续步骤的进行。

步骤三：同时启动纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6，纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6同向旋转。本发明如图1所示是采用顺时针旋转。纳米纤维膜得以释放并且沿着水平方向向前移动，纳米纤维由碳化隧道炉入口201进入碳化隧道炉2内，当纳米纤维膜在水平向前的方向上移动的距离等于碳化隧道炉2在前后水平方向的长度时，同时关闭纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6，使纳米纤维膜静止不动。

启动碳化隧道炉2，使纳米纤维在碳化隧道炉2内进行碳化处理，碳化隧道炉2碳化的温度在1000℃-1500℃。

碳化完毕后，关闭碳化隧道炉2，碳化隧道炉2内的纳米纤维膜形成碳化后的纳米纤维膜，即碳纳米纤维膜。同时启动纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6，使碳纳米纤维膜沿着水平方向向前移动，碳纳米纤维膜从碳化隧道炉出口202出来并从反应腔体入口501进入反应腔体5的内部，当碳纳米纤维膜在水平向前移动的距离等于反应腔体5在水平方向上的前后长度时，关闭纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6，使碳纳米纤维膜停留在反应腔体5内不动。

与此同时，后方的纳米纤维膜也从碳化隧道炉入口201进入到碳化隧道炉2内部，进入的长度和碳化隧道炉2的长度相一致，后方新进入到碳化隧道炉2的纳米纤维膜继续进行和之前一样的碳化处理。碳化隧道炉2在水平方向的前后长度和反应腔体5在水平方向上的前后长度相一致，以确保整个过程的连续进行。纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6间歇性地同时开启和关闭，也确保整个过程的连续进行并保持整个纳米纤维膜在微微紧绷的状态。

步骤四：打开反应腔体进门9，将步骤一中已准备好的金属和碳的混合粉末添加于反应腔体5的内部，添加在第一铜电极板8和第二铜电极板12之间的空间中。混合粉末添加量的体积要小于第一铜电极板8和第二铜电极板12之间形成的空间体积。添加完毕后关闭反应腔体进门9。

步骤五：启动保护气体供应部件10和保护气体回收部件3，且这两个部件全程处于开启的状态，气体选用氩气，气体的流速为1m/s，氩气从保护气体供应部件10出来，经过保护气体供应管路11进入反应腔体5的内部，再经过保护气体回收管路4回收到保护气体回收部件3中。如此，始终通过保护气体供应部件10向反应腔体5内通入氩气，同时通过保护气体回收部件3回收反应腔体5内通入的氩气。

步骤六：控制中心16一直处于工作状态，控制中心16控制并启动第一电动伸缩杆驱动电机705和第二电动伸缩杆驱动电机，第一电动伸缩杆7和第二电动伸缩杆13工作，带动第一铜电极板8和第二铜电极板12向对面方向相对移动，即第一电动伸缩杆伸缩杆体706带动第一绝缘连接器704和第一铜电极板8沿水平方向向后移动，第二电动伸缩杆伸缩杆体带动第二绝缘连接器和第二铜电极板12沿着水平方向向前移动，使第一铜电极板8和第二铜电极板12之间的金属和碳的混合粉末被压缩。

为了保证金属和碳混合粉末压缩的致密度，第一铜电极板8和第二铜电极板12之间接有电阻检测器15，电阻检测器15一直处于工作状态，电阻检测电流经过：电阻检测器15、第一电阻检测器通电槽701、第一铜环电极702、第一铜电极板8、金属和碳的混合粉末、第二铜电极板12、第二铜环电极、第二电阻检测器通电槽。电阻检测器15能够实时地检测第一铜电极板8、第二铜电极板12和金属和碳的混合粉末之间形成的电阻的大小，从而得到混合粉末的电阻值。电阻检测器15和控制中心16相连接，电阻检测器15实时向控制中心16传输所检测的混合粉末的电阻值的大小，当电阻检测器15检测的电阻值在控制中心16内置的电阻阀值范围时，表明阻值符合要求。本发明电阻阀值范围设在50-100Ω之间，表明金属和碳的混合粉末得以压缩致密，能确保后续脉冲放电的稳定性，所以控制中心16便控制并停止第一电动伸缩杆7和第二电动伸缩杆13工作。

步骤七：脉冲放电电路工作：启动高压直流电源18，高压直流电源18给电容器17进行充电，充电完成后关闭高压直流电源18。然后，控制中心16控制继电器19，继电器19控制电容器17脉冲放电，电容器17的工作电压为500-1000V、电流为20-30A、放电周期为50-100ms。脉冲放电电流的走向为：电容器17、继电器19、第二铜环电极、第二铜电极板12、金属和碳的混合粉末、第一铜电极板8、第一铜环电极702和电容器17。第一铜电极板8细长圆柱体和第一电动伸缩杆伸缩杆体706之间由第一绝缘连接器704相连接，为了使电流由第一铜环电极702流向第一铜电极板8而不是流向第一电动伸缩杆伸缩杆体706，保护整个第一电动伸缩杆7，采用第一绝缘连接器704连接。同理，第二电动伸缩杆伸缩杆体连接第二绝缘连接器，第二电动伸缩杆13、第一铜电极板8和第二铜电极板12会因脉冲放电产生超高温度而起保护作用。如此，将第一铜电极板8和第二铜电极板12之间的金属和碳的混合粉末气化为气态纳米金属粒子。

步骤八：在应腔体内5气化后的纳米金属粒子，受热膨胀向上扩散。最终，冷凝并沉积到反应腔体5内的碳纳米纤维上，形成纳米金属粒子负载于碳纳米纤维的复合纳米结构，即碳纳米纤维负载纳米金属粒子，反应结束后，打开反应腔体出门14，将脉冲放电后的金属和碳粉的残渣进行清理，清理完毕后关闭反应腔体出门14。

步骤九：同时启动纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6，纳米金属粒子负载碳纳米纤维膜继续水平向前移动，当水平向前移动的距离为碳化隧道炉2的前后长度时，同时关闭纳米纤维释放部件1和纳米纤维收集部件6。与此同时，新的纳米纤维膜进入到碳化隧道炉2当中，新的碳纳米纤维进入到反应腔体5中，至此重复并循环进行步骤三到步骤八，直到纳米纤维释放部件1上的纳米纤维膜全部释放完毕，最终的产品将全部收卷附着在纳米纤维收集部件6上，整个制备过程结束。

Claims (10)

1.一种脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：包括由前至后依次布置的纳米纤维收集部件(6)、反应腔体(5)、碳化隧道炉(2)和纳米纤维释放部件(1)，纳米纤维释放部件(1)上卷有纳米纤维膜，纳米纤维膜依次穿过碳化隧道炉(2)和反应腔体(5)后被纳米纤维收集部件(6)收卷；所述的反应腔体(5)内部设有一前一后的第一铜电极板(8)和第二铜电极板(12)这两个结构相同的铜电极板，两个铜电极板相对于反应腔体(5)的中心前后对称布置，均位于穿过反应腔体(5)内的纳米纤维膜的下方；两个铜电极板均各由垂直于纳米纤维膜的一个扁平长方体和平行于纳米纤维膜的一个细长圆柱体组成，两个扁平长方体在反应腔体(5)内部且其间留有空间，其间添加有金属和碳的混合粉末；每个细长圆柱体穿过反应腔体(5)的侧壁后各同轴依次固定串接一个绝缘连接器和一个电动伸缩杆的输出端；在反应腔体(5)外部的每个所述的细长圆柱体外部紧密套有一个铜环电极；高压直流电源(18)、电容器(17)、第一个铜环电极、第一铜电极板(8)、第二铜电极板(12)、第二个铜环电极以及继电器(19)相连接形成脉冲放电电路；电阻检测器(15)、第一个铜环电极、第一铜电极板(8)、第二铜电极板(12)、第二个铜环电极相连接形成电阻检测电路；所述的纳米纤维膜经碳化隧道炉(2)生成碳纳米纤维，金属和碳的混合粉末在反应腔体(5)内经脉冲放电作用使纳米金属粒子负载在碳纳米纤维上。

2.根据权利要求1所述的脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：反应腔体(5)上方设一个保护气体回收部件(3)、下方设一个保护气体供应部件(10)，反应腔体(5)通过保护气体回收管路(4)连接保护气体回收部件(3)，通过保护气体供应管路(11)连接保护气体供应部件(10)。

3.根据权利要求1所述的脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：反应腔体(5)的左侧壁开有反应腔体进门(9)，右侧壁开有反应腔体出门(14)，反应腔体进门(9)和反应腔体出门(14)均与第一铜电极板(8)和第二铜电极板(12)之间留有的空间相通。

4.根据权利要求1所述的脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：反应腔体(5)内部是为长方体的腔室，反应腔体(5)在前后方向上的长度和碳化隧道炉(2)在前后方向上的长度相一致。

5.根据权利要求1所述的脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：碳化隧道炉(2)的后侧壁上开有碳化隧道炉入口(201)、前侧壁开有碳化隧道炉出口(202)，反应腔体(5)的后侧壁开有反应腔体入口(501)、前侧壁开有反应腔体出口(502)，所述的反应腔体入口(501)和碳化隧道炉出口(202)紧密贴近。

6.根据权利要求1所述的脉冲放电制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的装置，其特征是：所述的一个铜环电极、一个绝缘连接器和一个电动伸缩杆的输出端三者的外径相同，在三者外部共同套有一个电动伸缩杆绝缘套。

7.一种采用权利要求1所述的装置制备碳纳米纤维负载纳米金属粒子的方法，其特征是包括：

步骤1)：将金属粉末和碳粉末混合，形成金属和碳的混合粉末；

步骤2)：同时启动纳米纤维释放部件(1)和纳米纤维收集部件(6)同向旋转，当纳米纤维膜向前移动的距离等于碳化隧道炉(2)前后方向的长度时，关闭纳米纤维释放部件(1)和纳米纤维收集部件(6)；

步骤3)：启动碳化隧道炉(2)，纳米纤维膜在碳化隧道炉(2)内经碳化处理形成碳纳米纤维膜，关闭碳化隧道炉(2)；

步骤4)：同时启动纳米纤维释放部件(1)和纳米纤维收集部件(6)，使碳纳米纤维膜向前移动进入反应腔体(5)内，关闭纳米纤维释放部件(1)和纳米纤维收集部件(6)；

步骤5)：将所述的混合粉末添加于反应腔体(5)内的第一铜电极板(8)和第二铜电极板(12)之间，第一电动伸缩杆(7)和第二电动伸缩杆(13)工作，带动第一铜电极板(8)和第二铜电极板(12)向对面移动，压缩混合粉末；

步骤6)：电阻检测电路检测混合粉末的电阻值，当电阻值符合要求，混合粉末压缩致密；脉冲放电电路工作，将第一铜电极板(8)和第二铜电极板(12)之间的混合粉末气化为气态纳米金属粒子，气态纳米金属粒子向上扩散冷凝并沉积到反应腔体(5)内的碳纳米纤维上，形成纳米金属粒子负载碳纳米纤维膜；

步骤7)：重复步骤2)-6)，直到纳米纤维释放部件(1)上的纳米纤维膜全部释放完毕并全部收卷在纳米纤维收集部件(6)上。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：步骤5)中，在混合粉末添加后，通过保护气体供应部件(10)向反应腔体(5)内通入氩气，同时通过保护气体回收部件(3)回收反应腔体(5)内通入的氩气。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是：步骤6)中，脉冲放电电路的工作电压为500-1000V，电流为20-30A，放电周期为50-100ms。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征是：步骤3)中，碳化隧道炉(2)碳化的温度为1000℃-1500℃。