【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纳米管纯化工艺，特别涉及碳纳米管的纯化方法、多级流化床装置及连续纯化方法。
技术介绍
1、一维的碳纳米管具有超大的长径比、表面无悬键、高比表面积以及优异的化学稳定性，展现出优异的力学、热学、电学、光学性能，在化学、化工、物理、生物、医学、环境等学科领域的优势日益明显，并在储能、储氢、电化学超级电容器、场发射器件、晶体管、纳米探针和传感器、复合材料等领域得到广泛应用。
2、化学气相沉积法由于其条件温和可控、产率较高的特点而备受研究者关注，并逐渐发展成为一种高效制备碳纳米管的策略和方法。化学气相沉积法生长碳纳米管通常采用金属催化剂，这就不可避免地在产品中带有金属杂质或外层被沉积的石墨层所包覆的纳米金属颗粒(即碳包铁结构)，而碳纳米管产品的纯度对其在电化学储能、复合材料等众多应用具有重大影响。例如，当超级电容器的工作电压为2v或以上时，碳纳米管中的金属杂质会分解其电解质，从而导致工作电压窗口低和耐用性差。类似地，锂离子电池正极中的金属杂质会导致锂结晶，挤出正极和负极之间的隔膜，从而可能导致短路或爆炸。因此，去除碳纳米管中的金属杂质对于提升产物纯度与质量具有重要意义。
3、目前，碳纳米管通常采用液相酸洗法除去碳纳米管中的大部分金属杂质，但是该方法同时存在碳纳米管纯化程度不高、性能降低、产生含酸废水等缺点。为了进一步满足碳纳米管纯度需求，研究者们采用真空高温提纯技术降低碳纳米管中的痕量金属杂质，但该方法的能耗较大，对于设备要求较高且较难做到连续化处理。
技术实现思路>
1、针对上述技术现状，本专利技术提供一种纯化碳纳米管的方法，简单易行，可高效去除碳纳米管中的金属杂质。
2、本专利技术提供的技术方案是：一种碳纳米管的纯化方法，包括如下步骤：
3、(1)将碳纳米管粉体置于一个流化床反应器中，通入惰性气体使碳纳米管粉体处于散式流化状态，加热流化床反应器至t反应，通入活性氧化辅助气体及含氟气体发生反应，去除包覆于金属杂质表面的碳层，并将金属杂质转化为氟化态；
4、(2)在惰性气流下将步骤(1)处理后的碳纳米管粉体吹送至另一个流化床反应器中，该流化床反应器温度为t升华，在t升华下氟化态金属升华为气体，获得提纯后的碳纳米管粉体。
5、本专利技术中，在流化床反应器中，碳纳米管粉体处于散式流化状态，若流化床反应器中的气体通入量较小时存在反应床层状态为固定床，碳纳米管粉体不能实现散式流化状态的问题，即流化床反应器中惰性气体以及各气体流量的总流量需要满足使碳纳米管粉体处于散式流化状态的要求。
6、所述惰性气体不限，包括氮气、氩气和氦气中的至少一种，作为优选，惰性气体流速为0.1-80l/min。
7、所述活性氧化辅助气体包括高活性氧化辅助气体与低活性氧化辅助气体。高活性氧化辅助气体包括但不限于氧气、空气、臭氧、氯气等中的至少一种。低活性氧化辅助气体包括但不限于一氧化碳、二氧化碳、水蒸气等中的至少一种。
8、所述含氟气体包括但不限于四氟乙烷、六氟化硫、氟气、四氟甲烷、四氟化碳中的至少一种。
9、所述活性氧化辅助气体与含氟气体的通入流量体积比不限，优选为0.1:1-300:1，两种气体流速优选为0.1-80l/min。
10、所述吹送是指在流化床反应器顶部通入惰性气体，在惰性气体的气压作用下，碳纳米管粉体被输送。
11、所述碳纳米管为化学气相沉积法制得的碳纳米管。
12、在t反应条件下，通入活性氧化辅助气体及含氟气体用于去除碳纳米管中包覆于金属杂质表面的碳层，并将金属杂质转化为低沸点的氟化态。作为优选，t反应为200-900℃。考虑到碳纳米管本身为碳元素，若通入高活性氧化辅助气体并且t反应较高时，在去除碳杂质的同时可能会去碳纳米管发生反应，使碳纳米管本身结构受到影响；若通入低活性氧化辅助气体并且t反应较低时，存在对碳杂质的去除效果不佳，金属杂质转化为氟化态效果不佳等问题。因此，当通入高活性氧化辅助气体时优选t反应为200-500℃，当通入低活性氧化辅助气体时优选t反应为700-900℃。为了进一步提高碳杂质的去除效果以及金属杂质转化为氟化态效果，作为优选，如图1所示，采用三级流化床反应器，所述步骤(1)采用两级反应去除碳杂质并将金属转化为氟化金属化合物，即，包括如下步骤：
13、(1)将碳纳米管粉体置于一级流化床反应器中，通入惰性气体使碳纳米管粉体处于散式流化状态，加热一级流化床反应器至一级处理温度t1，通入高活性氧化辅助气体及含氟气体进行一级反应，一定时间后停止通入高活性氧化辅助气体及含氟气体；t1为200-500℃；
14、(2)在惰性气流下将步骤(1)处理后的碳纳米管粉体吹送至二级流化床反应器中，该二级流化床反应器已提前加热至二级处理温度t2，通入低活性氧化辅助气体及含氟气体进行二级反应，一定时间后停止通入低活性氧化辅助气体及含氟气体；t2为700-900℃；
15、(3)在惰性气流下将步骤(2)处理后的碳纳米管粉体吹送至三级流化床反应器中，该三级流化床反应器已提前加热至三级处理温度t3，使氟化态金属升华为气体。
16、作为优选，t3为900-1200℃。
17、作为优选，还包括如下步骤(4)：
18、(4)在惰性气流作用下将步骤(3)处理后的碳纳米管吹送至粉体产物收集器，在粉体产物收集器中通入惰性气体使碳纳米管温度降至室温，获得高纯碳纳米管粉体。
19、作为优选，一级反应时间为0.1h-5h。
20、作为优选，二级反应时间为0.1h-5h。
21、作为优选，三级反应时间为0.1h-5h。
22、作为优选，加热至一级处理温度t1的升温速率为1-30℃/min。
23、作为优选，加热至二级处理温度t2的升温速率为1-30℃/min。
24、作为优选，加热至三级处理温度t3的升温速率为1-30℃/min。
25、作为优选，一级流化床反应器中设置气体排出口，用于将一级流化床反应器中的尾气排出至气体回收装置，尾气包括惰性气体、未反应的高活性氧化辅助气体与含氟气体中的一种或者几种。为了彻底避免这些尾气被吹送至二级流化床反应器，提高碳纳米管的纯化效果，同时也避免其中的高活性氧化辅助气体进入二级流化床反应器，在二级处理温度下使碳纳米管结构受到破坏，更优选地，在步骤(1)中，停止通入高活性氧化辅助气体及含氟气体之后持续通入惰性气体彻底将这些尾气置换排出至气体回收装置。同理，二级流化床反应器中也优选设置气体排出口，用于将二级流化床反应器中的尾气排出至气体回收装置，尾气包括惰性气体、未反应的高活性氧化辅助气体与含氟气体中的一种或者几种；更优选地，在步骤(2)中，停止通入低活性氧化辅助气体及含氟气体之后通入惰性气体彻底将这些尾气置换排出至气体回收装置。同理，三级流化床反应器中也优选设置气体排出口，用于将三级流化床反应器中的尾气排出至气体回收装置，尾气包本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碳纳米管的纯化方法，其特征是：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：所述活性氧化辅助气体包括高活性氧化辅助气体与低活性氧化辅助气体；
3.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：T升华为900℃-1200℃；
4.如权利要求2所述的纯化方法，其特征是：通入所述高活性氧化辅助气体，T反应为200℃-500℃；或者，通入低活性氧化辅助气体，T反应为700℃-900℃。
5.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：采用三级流化床反应器，包括如下步骤：
6.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：还包括如下步骤(4)：
7.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：一级反应时间为0.1h-5h；
8.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：在步骤(1)中，停止通入高活性氧化辅助气体及含氟气体之后通入惰性气体将一级流化床反应器中的气体置换排出至气体回收装置；
9.如权利要求8所述的纯化方法，其特征是：所述气体回收装置中包含用于回收氟元素的吸附材料；
10.如权利要求1
11.实现如权利要求1-9中任一权利要求所述的纯化方法的装置，其特征是：包括一级流化床反应器、二级流化床反应器、三级流化床反应器、粉体产物收集器以及气体回收装置；
12.利用权利要求11所述的装置连续纯化碳纳米管的方法，其特征是：包括如下步骤：
13.实现如权利要求12所述的连续纯化碳纳米管的方法，其特征是：气体回收装置包括第一容器与第二容器，第一容器中装有液态吸附介质，并且设置第一卸料口以及连通至第二容器的气体通道；第二容器装有固态吸附介质，并且设置第二卸料口与连通大气的气体出口。
...【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管的纯化方法，其特征是：包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：所述活性氧化辅助气体包括高活性氧化辅助气体与低活性氧化辅助气体；
3.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：t升华为900℃-1200℃；
4.如权利要求2所述的纯化方法，其特征是：通入所述高活性氧化辅助气体，t反应为200℃-500℃；或者，通入低活性氧化辅助气体，t反应为700℃-900℃。
5.如权利要求1所述的纯化方法，其特征是：采用三级流化床反应器，包括如下步骤：
6.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：还包括如下步骤(4)：
7.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：一级反应时间为0.1h-5h；
8.如权利要求5所述的纯化方法，其特征是：在步骤(1)中，停止通入高活性氧化辅助气体及含氟气体之后通入惰性气体将一级流化床反应器中的气体置换排出至气体回...
【专利技术属性】
技术研发人员：丘礼铭，郑超，孙丽，贾金超，朱振兴，魏飞，
申请(专利权)人：甬江实验室，
类型：发明
国别省市：
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