生产碳纳米管的方法和反应器技术

本发明专利技术涉及一种生产碳纳米管或其他碳纳米结构如锥体的方法。本方法包括：在大容积热等离子体中蒸发／分解含碳材料，所述大容积热等离子体是通过使用外加磁场旋转电弧产生的，并在表面上或在气流中的颗粒上凝结所述蒸发／分解的含碳材料。本发明专利技术也描述了进行该方法的反应器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生产碳纳米管的方法和反应器导言本专利技术涉及一种生产碳纳米管或其他的碳纳米结构如锥体的方法。
技术介绍
生产碳纳米结构和碳纳米管的方法有许多。这些方法可以分成两 大类高温方法和低温方法。大部分高温方法基于惰性气氛下碳的升 华，例如电弧放电法、激光烧蚀法和太阳能技术。低温方法例如利 用催化分解碳氢化合物的化学汽相淀积(CVD)、从一氧化碳气相催化生 长、通过电解制备、聚合物的热处理、低温原位热解或原位催化。主 要的方法下文还要描述。CVD (化学气相沉积)是一种从气相生成碳纳米管的方法，其通过在低温(600-100(TC)下，使用大量催化剂，使得碳纳米管在基板上生 长。所生成的碳纳米管有缺陷，会导致结构的弯曲。此外，在生成的 碳纳米管中，存在不同量(从50%到低至1-10%)的催化剂。电弧方法是等离子体方法，其中直流电弧在只有几毫米距离的阳 极和阴极间放电。这就在电极间区域中造成了相当小的等离子电弧。 从碳基(例如石墨)阳极上蒸发出来的碳以含碳纳米管沉积物的形式在 阴极上再凝结。在T.W. Ebbesen, Nature 358 (1992)公开的最初的电弧方 法中，没有使用通过永久磁铁或电磁铁产生的外加磁场，也不能发生 蒸发碳的再循环。这种电弧方法仅适合在运行的电流和功率水平都非 常低(通常只有几千瓦(kW))的电弧反应器中，小规模生产碳纳米 管。通过增加电弧电流和/或电极直径达到较高的功率水平似乎是不可 行的，因为沉淀的碳纳米管将从阴极被再次蒸发。在传统的电弧放电方法中，电极间存在点对点放电。为了改进该 方法，阴极和阳极在顶端被成形为平板，从而形成面到面的微放电， 由此稍微增加等离子体的量，这公开于Lee S丄等人在Diamond and Related Materials, 11,2002,914-917页的"Large scale synthesis of carbon nanotubes by plasma rotating arc discharge technique (通过等离子体方定转 电弧放电技术大规模合成碳纳米管)"。LeeS丄等人明确地指出"传 统的电弧放电是一种不连续和不稳定的方法，并且它不能大批量生产 高质量的碳纳米管。纳米管在阴极表面上产生并且电极间距不恒定， 因此电流量是不均一的，并且电场也是不均匀的"。为了克服这种缺 点，通过机械地旋转阳极来产生离心力，从而使得碳蒸汽不会在阴极 上沉淀，而是被带出等离子体区域外并在900-110(TC的温度间凝结于 收集器上。这可能允许连续生产，但这种方法运行的功率水平仍然非 常低(在1.6-3.6千瓦的范围内)，并且最适合小规模生产。阳极的机 械旋转不会将电弧旋转至任意程度。然而，电极旋转的运行通常是为 了获得均匀的电极消耗。机械旋转阳极的试验结果发表于BaeJ.C.等人 的"Diameter control of single-walled carbon nanotubes by plasma rotating electrode process (通过等离子旋转电极方法的单壁碳纳米管的直径控 制)"，Carbon,第40巻，15号，2002， 2卯5-2911页。电弧方法的其它例子在例如US5，277,038禾B US6,451，175中有描 述。在US6，451，175中，通过纵向振动阴极以提高碳纳米管在阴极上的 沉积。在其他出版物中，介绍了通过永久磁铁或线圈产生的磁场，以克 服稳定性问题。特别是欧洲专利申请EP1577261A (ANAZAWA, KAZUNORI)的专利技术人在权利要求1中给出了关于如何设置磁铁和产生 稳定电弧的磁场的详细说明。另外，例如美国专利申请US 20040084297 、 美国专利 US6902655(ANAZAWA 等)和 JP08048510(MIENO等)中提出"提高电弧方法的效率"("improve theefficiency" of the arc method),或者通过增加带电粒子碰撞的频率或 者通过将等离子体吹离阴极。同样，想要扩大到大生产单位似乎行不 通。特别是，EP1577261A提到一种鼓/板形成的阴极，旋转该阴极使得 电弧下方阴极侧的刮刀能够连续刮下纳米管。这也导致电极的均匀消 耗/磨损。磁场用来稳定阳极和阴极间的电弧，以避免电弧随着阴极的 第一部分旋转。WO2004/083119描述了一种连续生产碳基纳米管、纳米纤维和其 他纳米结构的等离子体的方法。碳前体、催化剂和载体等离子体气体 被引入反应区，在此碳前体(优选固体碳粒子)被蒸发。反应区内的热等 离子体由电弧产生，该电弧是通过将交流电源连接到二个或三个碳电 极而产生的。然后引导气体蒸气混合物通过喷嘴并进入淬火区以成核。 这种设备与用于例如耐火涂料的等离子喷涂的常规等离子焊炬非常相 似，这种情况下不希望有颗粒原料的蒸发。这种方法的主要问题是淬 火区的原料和产品没有发生再循环。专利技术概述本专利技术意在解决或至少缓解上述问题。特别地，本专利技术的目的是 提供一种生产碳纳米管和其他碳纳米结构的方法。该方法适合扩大规 模成为连续或半连续的大量生产。本专利技术的第一个方面提供一种生产碳纳米管或其他碳纳米结构如 锥体的方法，其包括在通过使用外加磁场旋转电弧产生的大容积热等 离子体中蒸发/分解含碳材料，并在气流中于表面上或颗粒上凝结所述 蒸发/分解的含碳材料。所述含碳材料优选可被再循环通过大容积等离 子体。所述表面可能是例如电极或基板。在另一个实施方式中，通过调整施加的磁场的分布、方向和强度， 来实现电弧的定位和旋转。该实施方式避免了将磁铁放置在热反应器 中的方案，该方案由于反应器中、尤其是等离子场中的高温，需要对磁铁进行冷却。外部的磁铁被保护免受等离子体热。此外，如在上面 提到的电弧方法的出版物中公开了所述的单个或两个电极的机械旋 转，没有提出电弧的旋转。含碳材料可为气态、液态或固态，并可选自炭黑、石墨粉、煤、 天然气、碳氢化合物和油脂。含碳材料还可替代地通过添加或通过蒸 发含碳电极来提供。催化剂可以与所述含碳材料或应用的等离子体一 起添加，或施加到所述表面上。催化剂可选自Ni、 Co、 Fe、 Y， Ni、 Co、 Fe、 Y的盐和有机金属化合物，Ni、 Co、 Fe、 Y和所述盐和所述 化合物的悬浮物，及其组合。氢、氦、氮、氩、 一氧化碳或其混合物、或通过加热产生上述一 种或多种气体的化学物质(优选气体)，可被用作等离子气体。电弧产生在电极和中空反电极之间，其中所述电极彼此相对轴向 排列。反电极带有孔，使得气体和粒子通过以及再循环。本专利技术的第二个方面提供一种通过权利要求1的方法，制备碳纳 米管或其他碳纳米结构如锥体的反应器，其包括电极和中空反电极， 和至少一块磁铁，其中所述电极彼此相对轴向排列。反电极可以为管 或其一部分呈圆锥形的管。反电极也可带有孔。在进一步的实施方式中，至少一块磁铁或单个磁铁的一部分被放 置在反应器的下半部分，电弧区域的下方，并且至少一块磁铁或单个 磁铁的一部分被放置在反应器的上半部分，电弧区域的上方。磁铁可 以是电磁铁(例如磁线圈)或永久磁铁。反应器也可具有用于除去形成在电极或基板上的碳纳米管的鼓风 或刮削装置。该刮削装本文档来自技高网...

【技术保护点】
生产碳纳米管或其他碳纳米结构如锥体的方法，包括：在大容积热等离子体中蒸发／分解含碳材料，其中所述大容积热等离子体是通过使用外加磁场旋转电弧产生的，并在表面上或在气流中的颗粒上凝结所述蒸发／分解的含碳材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：博迪尔蒙森，奥拉拉尼斯，罗阿尔詹森，克杰斯蒂克莱韦兰，史泰纳普里茨，本杰明拉瓦里，琼阿尔内巴肯，安德烈亚斯韦斯特门，
申请(专利权)人：辛芬特公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]