一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于纳米材料制备技术领域，涉及一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法。本发明专利技术装置包括：金属催化剂熔炼单元，传输单元，助剂导入单元，等离子体反应合成单元和收集单元。本发明专利技术在生长碳管前期对金属催化剂进行熔炼处理，能去除催化剂中的杂质并且得到活性较高的晶体形态或物相的催化剂，同时在等离子体电弧区域经过的是流动的金属催化剂，保证了持续供应新的金属催化剂，能防止催化剂失活，进行长时间稳定制备高产率的单壁碳纳米管，该方法具有重要的商业化生产价值。同时制备的单壁碳纳米管初产物收率为50

【技术实现步骤摘要】
一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，涉及一种流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管(CNTs)是一种径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米级的特殊结构的一维材料。根据其卷曲形成的石墨片层的层数可以分为单壁碳纳米管(SWCNTs)、双壁碳纳米管(DWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。其中SWCNTs在结构上具有良好的对称性和单一性，由于其为单层石墨烯片卷曲形成的准一维纳米材料，具有密度低、长径比高等特点，使其在力学、电学、光学和电化学等方面具有优异的表现。优异的性能表现使得SWCNT近年来备受关注，目前俄罗斯OCSiAl公司是全球唯一具有50吨SWCNT年产能企业。近期，国内德方纳米、天奈科技等企业也都在SWCNT的制备上投入了大量研究工作。然而，国内高品质单壁碳纳米管的连续制备还未取得重大突破，选取正确的制备路径，突破连续制备高品质、高纯度、高产量的单壁碳纳米管尤为重要。
[0003]根据SWCNTs在制备过程中的生长条件可以分为高温和中温两种制备技术。化学气相沉积(CVD)和高压一氧化碳分解法一般是在1000℃以下的温度裂解碳源制备SWCNTs，属于中温技术。等离子体电弧放电法和激光烧蚀法能在核心区域聚集很高的能量，温度可以高达(5000℃
‑
20000℃)，属于高温制备技术。由于中温制备技术产品产量较低、品质不高等原因限制，目前主要都在研究等离子体电弧放电法制备技术。
[0004]传统的电弧放电法又称电弧烧蚀法，是以纯石墨棒作为阴极，以填充了催化剂的石墨棒作为阳极，在一定的电流和电压和引弧气氛条件下阴阳两电极之间产生高温电弧，电弧不断烧蚀阳极，阳极中的催化剂与石墨气化蒸发碳原子重排转变为SWCNTs等碳产物。CN 1712349A、CN 102502583A、CN 212492880U等中国专利中对传统电弧放电法进行了详细的介绍，分别公开了对催化剂成分、反应气氛、设备改进等方面的研究。传统电弧烧蚀法采用的是固态碳源，催化剂在气化中存在不同大小的尺寸，在碳原子重排过程中会产生较多的物质，其产物中往往含有无定形碳、富勒烯、石墨碎片、MWCNTs、铁碳化合物等多种杂质。这些含碳类物质很难在后续的纯化工艺中去除，导致该方法得到的产物纯度较低，不利于大规模生产应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术公开了一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术的技术方案是：一种流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置，所述装置包括：
[0007]金属催化剂熔炼单元，用于金属催化剂进行加热熔炼，得到熔融体金属催化剂；
[0008]传输单元，用于将熔融体金属催化剂的以一定的流速持续引入等离子体反应合成
单元中；
[0009]助剂导入单元，用于将助剂通过载气加入到熔融体金属催化剂中；
[0010]所述等离子体反应合成单元，用于通过电弧使含有助剂的熔融体金属催剂蒸发成为均一纳米颗粒，再与通入的碳源混合气体发生裂解反应，反应合成尺寸均一的单壁碳纳米管；具体为阴极电极棒对准从底部引入的熔融体金属催化剂做为阳极，产生等离子体电弧，使含有助剂的熔融体金属催剂蒸发成为均一纳米颗粒，再与电极枪中通入的碳源等混合气体发生裂解反应，反应合成尺寸均一的单壁碳纳米管；
[0011]收集单元，用于采用收集合成的单壁碳纳米管。
[0012]进一步，所述金属催化剂熔炼单元为熔炼炉；
[0013]所述传输单元为石墨管道、石墨插板阀、石墨坩埚和回收单元；
[0014]所述等离子体反应合成单元为直流脉冲等离子体电弧炉；
[0015]所述收集单元为具有过滤网的收集单元；
[0016]所述助剂导入单元为送料管；
[0017]其中，所述石墨管道的一端设置在所述熔炼炉的出料口下方，另一端穿过所述直流脉冲等离子体电弧炉侧壁与石墨坩埚的一端连接，所述石墨坩埚的另一端与废料回收单元连接；
[0018]所述石墨插板阀设置在位于所述直流脉冲等离子体电弧炉和熔炼炉之间的所述石墨管道上，所述送料管设置在靠近所述直流脉冲等离子体电弧炉的所述石墨管道上；
[0019]所述直流脉冲等离子体电弧炉的阴极电极棒为中空的双层水冷不锈钢电极枪，在所述中空的双层水冷不锈钢电极枪的末端设有中空的石墨电极棒，中空的管道用于向炉内通入引弧气体和碳源混合气体。
[0020]所述反应区可以是在电弧的弧长区域附近，炉壁上热电偶检测温度为800
‑
1800℃。
[0021]本专利技术的另一目的是提供一种采用上述的装置制备单壁碳纳米管的方法，该方法具体包括以下步骤：
[0022]S1)配置金属催化剂颗粒，加入到金属催化剂熔炼单元进行加热熔炼，得到熔融体金属催剂；
[0023]S2)将S1)得到熔融体金属催剂通过传输单元引入到等离子体反应合成单元中，引入过程中控制金属催化剂熔体，并加入一定量的助剂，同时反应区采用阴极电极棒对准流动的熔融体金属催剂产生一定弧长的等离子体电弧，在等离子体电弧作用下使催化剂熔体蒸发成为均一纳米颗粒，随着载气一起进入反应区，再与通入的碳源混合气体，反应合成单壁碳纳米管；
[0024]S3)产生的单壁碳纳米管进入收集单元富集，进行回收。
[0025]所述收集单元为具有过滤网的收集单元，筛网上方具有自动反吹装置，可以将沉积在筛网上的产物吹扫收集；
[0026]进一步，所述S1)中的金属催化剂颗粒包括过渡金属和其他金属的，二者之间的的质量比为1:0.005
‑
0.1。
[0027]进一步，所述过渡金属为铁、钴、镍中至少一种，所述其他金属为钨、钽、铼、钼、钇、镧、镝中的至少一种。
[0028]进一步，所述S2)中助剂为CuFeS2、CaSO4、FeS、MoS2、NaSO4、S或Na2S；且助剂随着载气注入的量为0.001
‑
0.5g/min。
[0029]进一步，所述S2)中的熔融体金属催剂的流动速率为0.001
‑
0.1m/s。
[0030]进一步，所述熔融体金属催剂进入等离子体反应合成单元的初始温度在1400
‑
1600℃。
[0031]进一步，所述S2)中的所述弧长为阴极电极棒底部与所述熔融体金属催化剂上表面的距离为0.5
‑
20cm，所述反应区的温度为800
‑
1800℃；所述反应区以电弧为中心，在弧长周围，可以达到较高的反应温度，以纳米金属颗粒及其助剂为催化剂，在电极枪中通入碳源混合气体，反应合成单壁碳纳米管后进入收集系统收集。
[0032]进一步，所述碳源混合气体包括：碳源气体、载气、还原气体和其他气体，其中碳源气体为：乙烯、甲烷、丙烯、丙烷、天然气、液化石油气其中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述装置包括：金属催化剂熔炼单元，用于金属催化剂进行加热熔炼，得到熔融体金属催化剂；传输单元，用于将熔融体金属催化剂的以一定的流速持续引入等离子体反应合成单元中；助剂导入单元，用于将助剂通过载气加入到熔融体金属催化剂中；所述等离子体反应合成单元，用于通过电弧使流动的含有助剂的熔融体金属催剂蒸发成为均一纳米颗粒，再与通入的碳源混合气体发生裂解反应，反应合成尺寸均一的单壁碳纳米管；收集单元，用于采用收集合成的单壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属催化剂熔炼单元为熔炼炉；所述传输单元为石墨管道、石墨插板阀、石墨坩埚和回收单元；所述等离子体反应合成单元为直流脉冲等离子体电弧炉；所述收集单元为具有过滤网的收集单元；所述助剂导入单元为送料管；其中，所述石墨管道的一端设置在所述熔炼炉的出料口下方，另一端穿过所述直流脉冲等离子体电弧炉侧壁与石墨坩埚的一端连接，所述石墨坩埚的另一端与废料回收单元连接；所述石墨插板阀设置在位于所述直流脉冲等离子体电弧炉和熔炼炉之间的所述石墨管道上，所述送料管设置在靠近所述直流脉冲等离子体电弧炉的所述石墨管道上；所述直流脉冲等离子体电弧炉的阴极电极棒为中空的双层水冷不锈钢电极枪，在所述中空的双层水冷不锈钢电极枪的末端设有中空的石墨电极棒，中空的管道用于向炉内通入引弧气体和碳源混合气体。3.一种采用如权利要求1
‑
2任意一项所述的装置制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1)配置金属催化剂颗粒，加入到金属催化剂熔炼单元进行加热熔炼，得到熔融体金属催剂；S2)将S1)得到熔融体金属催剂通过传输单元引入到等离子体反应合成单元中，引入过程中控制金属催化剂熔体流速，并加入一定量的助剂，同时反...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐乐乐，梁晨，常艺，陈名海，陶宇轩，杨劲松，袁鑫鑫，
申请(专利权)人：江西铜业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：