一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统，制备步骤包括：S1、将微细金属颗粒分散并悬浮于含有机碳源的载气中；S2、在800

【技术实现步骤摘要】
一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统


[0001]本专利技术涉及新材料
，特别涉及一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统。

技术介绍

[0002]单壁碳纳米管是一种导电性能及机械强度均非常优异的纳米材料，可广泛用于陶瓷复合，高分材料复合以及各类导电材料复合领域。最近单壁碳纳米管由于优越的长径比，少量使用便可在不同的颗粒间形成导电网络，因此被证明可以用于锂离子电池硅炭负极材料的性能提升。
[0003]由于新能源产业的蓬勃发展，制备硅炭负极材料用的单壁碳纳米管成为最新研究热点。众所周知，锂电池体系是一个纯度要求极高的体系，因为任何杂质的存在，都会导致不可控制的复杂电化学副反应，从而导致电池性能下降或诱发不安全性因素。因此，许多金属杂质都被要求控制到ppm以下，甚至ppb级别。这就对传统的单壁碳纳米管的制备技术与纯化提出了极大的挑战。
[0004]相关单壁碳纳米管的制备技术中，石墨电弧法与激光烧蚀法，由于局部温度过高，常在单壁碳纳米管产品中混有大量多壁碳纳米管或无定形碳杂质。而化学气相沉积法是一类利用过渡金属催化剂制备单壁碳纳米管的方法，具有制备温度相对较低，获得的单壁碳纳米管纯度较高等优点。比如，常用的过渡金属催化剂形式包括：将铁，钴，镍基金属及助剂(钼或锰等)负载到氧化铝，氧化硅或氧化镁金属氧化物载体上的形式，以及羰基钴，二茂铁等原位裂解形成的催化剂形式。但由于单壁碳纳米管的制备温度约在800
‑
1200℃，这一温度下仍然会导致这些过渡金属形成碳化态颗粒，或载体颗粒都容易被碳层包覆。由于过渡金属的碳化态或金属态，以及金属氧化物载体的熔点与沸点都很高，不易真空高温法去除。同时被密实碳层包覆后，也不易被酸碱去除。这种原理性的挑战，导致单壁碳纳米管的纯化技术步骤多，成本高，环保性差，是导致单壁碳纳米管产品长期居高不下的原因，成为目前行业发展瓶颈。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统，该制备方法无需使用催化剂载体，直接采用易升华为金属蒸气的微细金属颗粒作为制备单壁碳纳米管的催化剂，在高温高压环境下，使有机碳源在微细金属颗粒表面生成单壁碳纳米管；进一步借助低压高温处理，使微细金属颗粒从单壁碳纳米管中脱出，实现单壁碳纳米管的高度纯化，有效地简化了制备流程和纯化处理过程，降低了制备成本。同时，本专利技术提供的系统能够实现催化剂与碳源的循环利用，实现了工业连续化制备。
[0006]具体
技术实现思路
如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法，所述方法包括：
[0008]S1、将微细金属颗粒分散并悬浮于含有机碳源的载气中，形成气
‑
固混合物；
[0009]S2、所述气
‑
固混合物中的有机碳源在微细金属颗粒的催化作用下发生反应，在所述微细金属颗粒表面生成单壁碳纳米管；所述反应的温度为800
‑
1200℃，压力为0.1
‑
0.5MPa；
[0010]S3、在温度为800
‑
1200℃，压力为100
‑
5000Pa条件下，对步骤S2所得物进行纯化处理1
‑
24h，使所述微细金属颗粒转化为金属蒸气，从所述单壁碳纳米管中脱出，获得超高纯度单壁碳纳米管；
[0011]其中，所述微细金属颗粒由铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少一种组成；或，所述微细金属颗粒为铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少两种组成的合金；
[0012]所述有机碳源为C1
‑
C20烃中的至少一种。
[0013]可选地，所述载气由Ar、N2或Ar和N2的混合气体组成；
[0014]所述有机碳源与所述载气的体积比为0.1:1～10:1；
[0015]所述气
‑
固混合物中，所述微细金属颗粒与所述有机碳源的质量比为0.1:1～10:1；
[0016]可选地，所述微细金属颗粒的粒径为0.1
‑
10μm；其中，粒径小于2μm的所述微细金属颗粒的重量占所述微细金属颗粒总重量的20
‑
85％。
[0017]可选地，在步骤S3之后，所述方法还包括：
[0018]S4、对步骤S3所得气态物质进行去H2处理和冷却处理，使金属蒸气凝结为微细金属颗粒，重新形成气
‑
固混合物，将所述气
‑
固混合物用于步骤S2，实现循环利用。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种执行上述第一方面所述的方法制备超高纯度单壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述系统包括：
[0020]微细金属颗粒输送子系统Ⅰ，用于将微细金属颗粒分散并悬浮于含有机碳源的载气中，形成气
‑
固混合物；
[0021]化学气相沉积子系统Ⅱ，用于使子系统Ⅰ输出的气
‑
固混合物中的有机碳源在微细金属颗粒的催化作用下，发生反应，在微细金属颗粒表面生成单壁碳纳米管；
[0022]真空加热纯化子系统Ⅲ，用于使子系统Ⅱ输出的固态微细金属颗粒转化为金属蒸气，从单壁碳纳米管中脱出；
[0023]分离冷却子系统Ⅳ，用于对子系统Ⅲ输出的气态物质进行去H2处理和冷却处理，使金属蒸气凝结为微细金属颗粒，重新形成气
‑
固混合物；
[0024]收集子系统
Ⅴ
，用于对子系统Ⅲ输出的固态物质进行间接换热、冷却，获得超高纯度单壁碳纳米管。
[0025]可选地，所述含有机碳源的载气通过进气口1进入所述微细金属颗粒输送子系统Ⅰ；所述微细金属颗粒输送子系统Ⅰ通过传输通道2与所述化学气相沉积子系统Ⅱ连接；
[0026]所述载气由Ar、N2或Ar和N2的混合气体组成；
[0027]所述有机碳源为C1
‑
C20烃中的至少一种；
[0028]所述有机碳源与所述载气的体积比为0.1:1～10:1；
[0029]所述气
‑
固混合物中，所述微细金属颗粒与所述有机碳源的质量比为0.1:1～10:1；
[0030]所述微细金属颗粒由铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少一种组成；或，所述微细金属颗粒为铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少两种组成的合金；
[0031]所述微细金属颗粒的粒径为0.1
‑
10μm；其中，粒径小于2μm的所述微细金属颗粒的重量占所述微细金属颗粒总重量的20
‑
85％。
[0032]可选地，所述化学气相沉积子系统Ⅱ通过传输通道3与所述真空加热纯化子系统Ⅲ连接；
[0033]所述化学气相沉积子系统Ⅱ的工作温度为800
‑
1200℃；
[0034]所述化学气相沉积子系统Ⅱ的工作压力为0.1
‑
0.5MPa；
[0035]当所述化学气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法包括：S1、将微细金属颗粒分散并悬浮于含有机碳源的载气中，形成气
‑
固混合物；S2、所述气
‑
固混合物中的有机碳源在微细金属颗粒的催化作用下发生反应，在所述微细金属颗粒表面生成单壁碳纳米管；所述反应的温度为800
‑
1200℃，压力为0.1
‑
0.5MPa；S3、在温度为800
‑
1200℃，压力为100
‑
5000Pa条件下，对步骤S2所得物进行纯化处理1
‑
24h，使所述微细金属颗粒转化为金属蒸气，从所述单壁碳纳米管中脱出，获得超高纯度单壁碳纳米管；其中，所述微细金属颗粒由铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少一种组成；或，所述微细金属颗粒为铝、镁、锡、锌、钠、锂、钾和钌中的至少两种组成的合金；所述有机碳源为C1
‑
C20烃中的至少一种。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载气由Ar、N2或Ar和N2的混合气体组成；所述有机碳源与所述载气的体积比为0.1:1～10:1；所述气
‑
固混合物中，所述微细金属颗粒与所述有机碳源的质量比为0.1:1～10:1。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述微细金属颗粒的粒径为0.1
‑
10μm；其中，粒径小于2μm的所述微细金属颗粒的重量占所述微细金属颗粒总重量的20
‑
85％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法还包括：S4、对步骤S3所得气态物质进行去H2处理和冷却处理，使金属蒸气凝结为微细金属颗粒，重新形成气
‑
固混合物，将所述气
‑
固混合物用于步骤S2，实现循环利用。5.一种执行上述权利要求1
‑
4任一所述的方法制备超高纯度单壁碳纳米管的系统，其特征在于，所述系统包括：微细金属颗粒输送子系统Ⅰ，用于将微细金属颗粒分散并悬浮于含有机碳源的载气中，形成气
‑
固混合物；化学气相沉积子系统Ⅱ，用于使子系统Ⅰ输出的气
‑
固混合物中的有机碳源在微细金属颗粒的催化作用下，发生反应，在微细金属颗粒表面生成单壁碳纳米管；真空加热纯化子系统Ⅲ，用于使子系统Ⅱ输出的固态微细金属颗粒转化为金属蒸气，从单壁碳纳米管中脱出；分离冷却子系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：骞伟中，崔超婕，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：