用于制备碳纳米管的两阶段系统和方法技术方案

用于制备碳纳米管的两阶段反应器和方法。用于制备碳纳米管的两阶段反应器和方法。用于制备碳纳米管的两阶段反应器和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制备碳纳米管的两阶段系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年12月22日提交的美国临时专利申请号63/129,057的优先权，该申请的全文通过引用明确地并入本文。
[0003]关于联邦赞助的研究或开发的声明
[0004]本文所述的专利技术是在NASA合同80LARC18C0007的工作下作出的，并受《美国国家航空暨太空法案》第20135节(51U.S.C.
§
20135)的规定约束。政府对这项专利技术可拥有某些权利。


[0005]本公开整体上涉及一种用于制备碳纳米管的两阶段反应器。更具体地，本公开涉及一种反应器，该反应器具有在碳源存在下调节催化剂前体来形成碳纳米管晶种的预反应器和由碳纳米管晶种形成碳纳米管的生长反应器。还提供了一种用于制备碳纳米管的方法。

技术介绍

[0006]典型地，通过在足以形成长碳纳米管的温度(例如，大于1100℃)下直接将碳源、催化剂前体和任选的载气如氮的混合物引入反应器中来形成碳纳米管。这样的工艺不允许对所得的纳米管的尺寸和维度进行许多的控制。
[0007]通过引用以其全文并入的美国专利号9,061,913，通过使用具有含有雾化器的注射器设备的系统而允许较好的控制，其中将注射器部分地引入反应器中以允许当将催化剂前体引入反应器中时对催化剂前体的温度的较好控制。在将催化剂前体直接引入反应器中前，注射器设备输送催化剂前体穿过雾化器然后进入到两个独立的预加热温度区(第一区在200℃至300℃下并且第二区在700℃至950℃下)。
[0008]现在发现，如本公开所述，通过具有(i)在为了优化催化剂前体的颗粒尺寸并且因此较好地控制所得碳纳米管的直径而设置的温度下的预反应器和(ii)设置在目标温度下用于较好地控制所得碳纳米管的长度的生长反应器，两阶段反应器也允许碳纳米管形成的改进控制。
附图说明
[0009]图1是用于碳纳米管的受控制备的两阶段反应器的示意图。
[0010]图2A和图2B是碳纳米管的SEM图像。
具体实施方式
[0011]在详细解释本公开的至少一个实施方案之前，应该理解的是本公开在其应用中不限制于以下描述中阐明的构造的细节和部件或步骤或方法的布置。本公开能够具有其他实施方案或能够以各种方式实践或进行。此外，应该理解的是在本文中使用的短语和术语是
(comprises))、“具有”(和任何形式的具有，如“具有”(have)和“具有”(has))、“包括”(和任何形式的包括，如“包括”(includes)和“包括”(include))或“含有”(和任何形式的含有，如“含有”(contains)和“含有”(contain))是包括性的或开放式的并且不排除额外的、未记载的元件或方法步骤。
[0024]本文所用的短语“或它们的组合”和“和它们的组合”指的是在术语前所列项目的所有排列组合。例如，“A、B、C或它们的组合”旨在包括以下中的至少一种：A、B、C、AB、AC、BC或ABC，并且如果在特定的上下文中次序是重要的，则也包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续这个例子，明确包括的是包含一个或多个项目或术语重复的组合如BB、AAA、CC、AABB、AACC、ABCCCC、CBBAAA,CABBB等等。技术人员将理解，除非在上下文中以其他方式显而易见，典型地在任何组合中没有对项目或术语的数量的限制。同样地，当与短语“选自”或“选自由
……
组成的组”一起使用时，术语“或它们的组合”和“和它们的组合”指的是在短语前所列的项目的所有排列组合。
[0025]短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”、“根据一个实施方案”等等通常表示在这些短语后面具体的特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施方案中，并且可包括在本公开的多于一个实施方案中。重要的是，这些短语是非限制性的并且不必指代相同的实施方案，但是当然可以指代一个或多个前面和/或后面的实施方案。例如，在所附权利要求书中，任何所要求保护的实施方案都可以以任何组合使用。
[0026]如本文所用，术语“以重量计％”、“重量％”、“重量百分数”、或“以重量计百分数”可互换使用。
[0027]如本文所用，“碳纳米管”用来指代具有约1纳米至30纳米的直径和0.5毫米至5毫米的长度的单壁、双壁和/或多壁碳纳米管。
[0028]“碳纳米管晶种”，如本文所用，指的是具有小于约100纳米的长度和约1纳米至约30纳米的直径的碳纳米管。
[0029]“火炬气(Flare gas)”，如本文所用，指的是在油和/或气生产过程中产生的或来自精炼厂、化工厂、煤炭工业和垃圾填埋场操作的气体混合物，并且该气体混合物通常被燃烧或烧旺。火炬气的组成取决于它的来源，但是可包含一种或多种以下的含碳气体：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、正己烷、乙烯、丙烯和1
‑
丁烯以及一种或多种其他组分如一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二硫化氢、氢、氧、氮和水。来自油
‑
气生产场所的火炬气可能主要含有包含超过90％甲烷的天然气。
[0030]转到图1，一方面，本公开涉及用于碳纳米管的受控制备的两阶段反应器10。两阶段反应器10包含具有第一端14和第二端16的预反应器(本文也称为“第一阶段”)12和具有第一端20和第二端22的生长反应器(本文也称为“第二阶段”)18，其中预反应器12的第二端16与生长反应器18的第一端20接触。
[0031]两阶段反应器10还可包含具有第一端26和第二端28的流动分布器24，其中流动分布器24的第二端28与预反应器12的第一端14接触。
[0032]在一个实施方案中，两阶段反应器10具有至少一个或多个与预反应器12或生长反应器18连接的气体注射口30和32，其允许将额外的反应物或其他的气态组分引入两阶段反应器10中。
[0033]流动分布器24可具有一个或多个通道34，其允许将组分例如碳源和催化剂前体的
受控混合物送入预反应器12中。
[0034]在一个实施方案中，两阶段反应器10含有在预反应器12和生长反应器18之间的分隔体(没有在图中画出)，其能够收集至少一部分不需要的材料免于进入生长反应器18中。不需要的材料的非限制性实例包括未反应的催化剂前体或它的颗粒。在一个实施方案中，碳纳米管含有小于10重量％的催化剂前体。
[0035]在一个实施方案中，分隔体选自扩散板、金属网、隔离膜、热分隔体和它们的组合。
[0036]两阶段反应器还可包含与预反应器12的第二端16和生长反应器18的第一端20流体连通的注射器36(即喷雾器)。在一个实施方案中，注射器36可被设计成接收来自预反应器12的组分并且显著分散这些组分来促进碳纳米管在生长反应器18中的生长。
[0037]两阶段反应器10也可包括与生长反应器18的第二端22流体连通的收集单元38，用于收集在生长反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于在两阶段反应器中制备碳纳米管的方法，包括：(i)向预反应器中引入包含碳源和催化剂前体的起始混合物，其中所述预反应器处于400℃至900℃范围内的温度下并且所述起始混合物在所述预反应器中的停留时间足以将所述催化剂前体分解为催化剂颗粒并且产生包含多个碳纳米管晶种的经调节的混合物，和(ii)将所述经调节的混合物引导至生长反应器中，其中所述生长反应器处于大于1100℃的温度下并且所述经调节的混合物在所述生长反应器中的停留时间足以产生氢和碳纳米管，其中大量的碳纳米管具有在3纳米至15纳米范围内的直径和大于1毫米的长度。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳源包含一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、己烷、乙烯、丙烯、丁烯、二甲苯、甲苯、苯、甲醇、乙醇、丙醇、甲酸甲酯、乙酸或它们的混合物。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂前体选自二茂铁，FeCl3，金属羰基化合物，茂金属，铁合金，镍，氧化镍，钴，氧化钴，铁、镍或钴的氮化物或氯化物，或它们的组合。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述起始混合物还包含载气和加速剂中的至少一种。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述加速剂选自氧、一氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：纳米复合技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：