本发明专利技术公开了属于碳纳米管合成技术领域的Ｖ型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器及合成方法。具体方法为通过燃烧器内的Ｖ型等腰体或圆锥体使可燃混合气燃烧，形成稳定火焰面，提供合成碳纳米管所必需的高温环境－热源。通过中心管的反应物混合气、惰性气体和金属催化剂纳米颗粒，使中心气流具备了合成碳纳米管的三要素：热源、碳源和催化剂。在燃烧器内和出口可获取单壁碳纳米管。这样的“热解”火焰方式，把热和碳纳米管合成过程分开，有利于合成过程的控制。本发明专利技术的优点在于采用连续传送带取样机构，可做到可控、连续批量、大尺寸、大规模、低成本制备单壁碳纳米管。此外，可通过调节燃烧器壁温改变火焰温度，以利于合成过程的控制。
【技术实现步骤摘要】
V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管燃烧器及合成方法
本专利技术属于碳纳米管合成
，特别是提供了V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器及合成方法。
技术介绍
1991年日本学者饭岛(Iijima)首先发现了碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)。目前碳纳米管合成方法主要有四种：电弧放电法(arc discharge)、激光蒸发法(laser vaporization)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)和火焰合成法(flame synthesis)。前三种合成方法设备复杂，成本高，适合小规模、小尺寸、间隙式操作。火焰合成法具有在大气条件下连续制备，设备简单，节能，低成本，大尺寸、大规模批量制备的潜力。目前火焰合成法代表性研究主要有下面一些：美国宇航局Vander wal等在文献“Vander wal RL，Ticich TM，Curtis VE.Diffusion Flame Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Chem PhysLett.2000，354(1-2)：20-4”和肯塔基大学Yuan Liming等在“Yuan LM，SaitoK，Pan CX et al.Nanotubes from Methane Flames.Chem Phys Lett.2001，340(3-4)：237-41”中用层流扩散火焰合成碳纳米管。他们采用富燃料气体从1mm中心管喷出，周围是通空气的另一个5mm管子，形成锥形层流扩散火焰。用含金属催化剂的取样探针在接近火焰面的内侧获得多壁碳纳米管。Vander wal更多的使用文献“Vander wal RL，Fe-Catalyzed.Single-walled Carbon NanotubesSynthesis within a Flame Environment.Combustion and Flame.2002，130：37-47”和“Vander wal RL，HaLi LJ，Berger CM.The Chemistry of PremixedFlame Synthesis of Carbon Nanotubes using Supported Catalysts.Proceedings of the Combustion Institute.2002，29：1079-1085”称为“热解火焰”来合成碳纳米管。他们采用外径50mm环形燃烧器结构，燃烧器的外环建立富燃料预混平面火焰作为热源，中间11mm直径中心管出口与外环出口在同-->一平面(齐平)。中心管通含金属催化剂纳米颗粒的反应气体混合物，再加入稀释剂，来降低温度。在紧靠燃烧器上方垂直布置一个直径25mm薄壁圆管作为稳定罩。在稳定罩出口处收集单壁碳纳米管。伊利诺斯大学Saveliev等在文献“Saveliev AV，Merchan-Merchar W，Kennedy LA.Metal Catalyzed Synthesisof Carbon Nanostructures in an Opposed Flow Methane Oxygen Flame.Combustion and Flame.2003，135：27-33”中采用对撞(逆流)扩散平面火焰。两股从喷嘴出来的逆向气流对撞，一股为富燃料气体，另一股为氧化剂，在形成平面火焰的燃料一侧用含催化剂的取样探针获得多壁碳纳米管。美国麻省理工学院Height和Howard等在文献“Height MT，Howard JB，Tester JW et al.FlameSynthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Carbon.2004，42：2295-2307”中用充氧和稀释剂的0.067大气压低压容器燃烧乙炔预混气体，在燃烧器出口的层流平面火焰后面不同高度处获取单壁碳纳米管。上述代表性研究的火焰结构和装置都是基础研究的，只能得到少量碳纳米管。日本NaKazawa等在“NaKazawa S，YoKomori T，Mizomoto M.Flame Synthesis of Carbon Nanotubes in a WallStagnation Flow.Chemical Physics Letter.2005，403：158-162”中用一股富燃料的乙炔、空气和稀释剂的预混气层流射流，冲击一块有催化剂Ni层的陶瓷驻定平板，在射流出口和驻定平板之间形成一个喇叭形火焰，喇叭形火焰内是未燃反应气流。在驻定平板紧挨火焰面非常窄的环形带上生成多壁碳纳米管。如果平板设计成传送带结构，那么这种合成方法有可能获得量较大的碳纳米管。不过，由于只在火焰面厚度尺寸的极窄环形带生成碳纳米管，若要大量，则需时很长，效率较低。迄今为止，尚没有可连续批量、可控、大尺寸、大规模合成碳纳米管的火焰方式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器及合成方法。其特征在于：所述热解火焰合成碳纳米管的燃烧器为V型和圆锥型燃烧器。所述热解火焰合成碳纳米管的具体方法为：在燃烧器3和6内采用V型体1-->和圆锥体4，点火使可燃混合气燃烧，形成稳定火焰面，提供合成碳纳米管所必需的高温环境—热源。与V型体1和圆锥体4头部相接的中心管2和5通反应物混合气、惰性气体和金属催化剂纳米颗粒。反应物混合气以及由于V型体和圆锥体造成的回流作用，从外侧可燃混合气中进入中心区的未完全燃烧的碳氢化合物，提供了合成碳纳米管所必需的第二要素—碳源。而加到中心气流的金属催化剂纳米颗粒提供了合成碳纳米管所必需的第三要素—催化剂。于是中心气流具备了合成碳纳米管的三要素，可以合成碳纳米管。这样的V型和圆锥型热解火焰把热和碳纳米管合成过程分开。本专利技术的有益效果在于采用连续传送带取样机构，可做到可控、连续批量、大尺寸、大规模、低成本制备单壁碳纳米管。此外，可通过调节燃烧器壁温改变火焰温度，以利于合成过程的控制。附图说明图1为V型热解火焰燃烧器示意图。图2为圆锥型热解火焰燃烧器示意图。具体实施方式本专利技术在于提供V型和圆锥型热解火焰合成单壁碳纳米管的燃烧器及合成方法，下面结合附图对本专利技术予以说明。图1所示为V型热解火焰燃烧器示意图。在图中，一端开口的长方体燃烧器3内设置两端开口的V型等腰体1和通反应物混合气、惰性气体及金属催化剂纳米颗粒的矩形中心管2，中心管2与V型等腰体1头部开口端相接，V型等腰体1前后侧面与燃烧器3前后侧壁齐平、封闭，V型等腰体1左右侧面与燃烧器3左右侧壁之间的空间通由燃烧器3头部进入的可燃混合气。图2所示为圆锥型热解火焰燃烧器示意图。在一端开口的圆管燃烧器6内设置两端开口圆锥体4和通入反应物混合气、惰性气体及金属催化剂纳米颗粒的中心圆管5，中心圆管5与圆锥体4头部开口端相接。圆锥体4侧面与燃烧器6壁面之间的空间通由燃烧器6头部进入的可燃混合气。下面以热解火焰合成单壁碳纳米管的具体方法为例说明本专利技术，从燃烧器头-->部进入可燃混合气，所述可燃混合气为气体燃料和空气(或氧气)的预混气，或为雾化的液体燃料和空气(或氧气)的混合气，其燃料当量比(本文档来自技高网...
【技术保护点】
Ｖ型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器，其特征在于：所述热解火焰合成碳纳米管的燃烧器是一种为Ｖ型，一种为圆锥型的燃烧器。
【技术特征摘要】
1.V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器，其特征在于：所述热解火焰合成碳纳米管的燃烧器是一种为V型，一种为圆锥型的燃烧器。2.根据权利要求1所述V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器，其特征在于：所述V型燃烧器的结构是在一端开口的长方体燃烧器(3)内设置两端开口的V型等腰体(1)和通反应物混合气、惰性气体及金属催化剂纳米颗粒的矩形中心管(2)，中心管(2)与V型等腰体(1)头部开口端相接，V型等腰体(1)前后侧面与燃烧器(3)前后侧壁齐平、封闭，V型等腰体(1)左右侧面与燃烧器(3)左右侧壁之间的空间内为由燃烧器(3)头部进入的可燃混合气。3.根据权利要求1所述V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器，其特征在于：所述圆锥型燃烧器的结构为，在一端开口的圆管燃烧器(6)内设置两端开口圆锥体(4)和通反应物混合气、惰性气体及金属催化剂纳米颗粒的中心圆管(5)，中心圆管(5)与圆锥体(4)头部开口端相接，圆锥体(4)侧面与燃烧器(6)壁面之间的空间内为由燃烧器(6)头部进入的可燃混合气。4.根据权利要求1所述V型和圆锥型热解火焰合成碳纳米管的燃烧器合成碳纳米管的方法，其特征在于：所述热解火焰合成碳纳米管的具体方法为：从燃烧器头部进入的可燃混合气，通过在燃烧器(3)或(6)内的V型体(1)或圆锥体(4)，点火使可燃混合气燃烧，形成稳定火焰面，提供合成碳纳米管所必需的高温环境—热源；与V型体(1)...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙保民，赵惠富，
申请(专利权)人：华北电力大学北京，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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