生产碳石墨烯和其它纳米材料的方法技术

本发明专利技术公开了通过高热量蒸发和快速冷却制备纳米材料的方法。在一些优选的实施方式中，高热量通过二氧化碳和镁的氧化-还原反应产生，但是如果需要，在反应中也可以包含另外的物质。二氧化碳和镁在反应器中共同燃烧以制得产物，然后将它们通过适当的方法或反应分离或除去以得到单独的反应产物。反应是高能的，产生极高温度，并且也产生大量热和光，包括红外和紫外辐射，全部这些可以捕获和再次使用。通过改变反应温度和压力，可以控制碳纳米产品和其它纳米产品的类型和形态。反应也由多种输入物质产生纳米材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总地涉及纳米材料的生产,更特别地涉及碳石墨烯(carbon graphene)和其它纳米材料的生产。
技术介绍
纳米材料是出现的新领域，目前主要致力于其研究和开发。纳米材料的特征可能显著不同于常规材料的那些特征，体现在可能对很多领域中的应用重要的方面，包括医药领域，半导体，能量储存，高级复合材料，电子学，和催化。很多纳米材料可以按利用它们量子力学性质的方式使用。 最近，很多研究和兴趣集中在石墨烯。石墨烯是密集填充在六边形蜂蜂窝状晶格中的一个原子厚的薄片形式的碳的同素异形体。石墨烯具有多种独特和所需的品质，包括特别的表面区域，电导率和电容，传热和传质能力，磁性质，以及拉伸强度和弹性模量的特别值。这些特性单独或组合时都可使碳石墨烯结构适用于多种重要的技术和市场，包括锂离子电池的电解储存介质和超电容器，用于微过滤的促进运输隔膜，作为基底材料的催化，发光二极管(LED)的传热和其它应用，用于计算处理的高频半导体，氢储存，平面屏幕和液晶显示屏(LCD)的传导材料，以及风力涡轮机和汽车中高级材料的增强剂。IBM已经证明100千兆赫石墨稀晶体管并说明I太赫晶体管石墨稀是可能的。存在多种制备石墨烯的已知方法，包括化学蒸气沉积，外延生长，石墨的微机械剥落，在电绝缘表面上的外延生长，胶体悬浮，石墨氧化物还原，从金属-碳熔体生长，乙醇钠的高温分解，和从纳米管生长。这些方法各自具有充分论证的优点和缺点。很多方法的共同优点是制备相对纯的石墨烯材料和在一些情况下制备大连续表面石墨烯材料的能力。方法如外延生长和胶体悬浮可以使得能够定制石墨烯材料以适用于非常具体要求。也存在多种制备其它形式的碳纳米材料例如纳米球、富勒烯、润管(scrolls)和纳米管的已知方法，包括，例如，使用碳弧和激光技术。但是，迄今为止，没有用于制备碳纳米材料的方法已经成功商业化，但是已经为此作出了很多努力，特别是关于碳纳米管方面。因此，合理的顾虑是，石墨烯的商业生产也可能是难以实现的。所有已知的石墨烯形成方法具有重大的限制和缺点，包括依赖于相对稀有的高结晶石墨作为原料，高成本，和有限的可规模化能力。由于这些限制，已知的方法可能不能够提供低成本石墨烯的可靠供应来进行大量生产。本专利技术基于非常强效且可规模化的反应，其中优选的试剂或原料是二氧化碳(CO2)和镁(Mg)。当基于碳的燃料例如煤、石油、和天然气各自燃烧以产生热量时，会产生显著量的CO2和其它燃烧产物，并且一个普遍关心的问题是在大气中存在历史上就较高并且在增加的量的co2。科学家认为在大气中异乎寻常高含量的CO2可能会引起或已经引起不利的全球气候效应和海洋的酸化。尽管针对降低CO2排放已经提出了很多解决方案，公众和国家政策讨论中的优势模型包括通过几种化学机理中的一种或另一种捕获CO2，然后压缩捕获的CO2,最后,将CO2作为废产物通过注射(隔离(sequestration))进入陆地中而处理。因为从化石燃料排放物中捕获CO2是昂贵的和耗能的，如果能将至少一些捕获的CO2投入生产用途而非作为废产物处理，这将是非常期望的。用于将CO2还原为碳产品的经济可行、大规模、和有利可图的方法将会产生对捕获的CO2的需求并减少对隔离CO2的要求。存在多种用于还原CO2的已知方法。一种这样的方法是光合作用，这是众所周知的且存在丰富的可将CO2还原成碳的CO2还原机理，然后碳可被活体系统利用产生生命所必需的复杂的有机分子。但是，光合作用的缺点是在技术或人造生物系统中难以复制。氧化亚铁(包括磁铁矿和几种其它类似的矿物化合物)，也已经发现它们可有益地将CO2还原成无定形形式的碳。同样，已经发现液态钾可有益地将CO2还原成无定形碳。而且，存在多种部分还原(矿化)方法，其中将CO2转化为碳酸盐。目前认为，与将CO2完全还原成碳相比，部分还原方法被认为是更加可行的隔离的替代方法，因为通常认为将CO2完全还原是急剧地吸热的，因此，在经济上是受到质疑的。但是，部分还原方法也具有缺点，即生产的材料的市场价值相对较低 。总之，之前已知的CO2还原方法由于一种或多种因素在实践上和经济上是受限的，所述因素包括麻烦的质量流量要求，显著的能量要求，反应物的高成本，困难或危险的材料管理，和/或最终产品的低价值，其中产品的价值通常小于生产它们的成本。目前发现镁并非以纯的形式存在于自然界且必须通过一种或多种熟知方法从一种或多种其天然存在形式(包括氯化镁和氧化镁)制备。镁经常从海水制备，在海水中镁作为第二丰富的阳离子存在。在该生产方法中，将Mg用氢氧化钙沉淀，使沉淀物与HCl反应，最后通过电解还原成镁。其它方法，包括利用热量还原开采的富镁矿石的Pidgeon方法，用于制备相对较纯的镁。但是，这些方法相对昂贵并且不是总能生产所需的纯度水平。
技术实现思路
通常，本专利技术的目的是提供用于生产碳石墨烯和其它纳米材料的新型和改善的方法。本专利技术的另一个目的是提供克服迄今为止用于生产纳米材料的技术的限制和缺点的以上特征的方法。这些和其它目的根据本专利技术如下实现:在产生高能量和温度为约5610° F或更高的热量的高度放热氧化-还原反应中使反应物共同燃烧，然后使反应的产物快速冷却以形成纳米粒子，然后将不同物质的纳米粒子彼此分离。在一些优选的实施方式中，高热量通过作为主反应物的二氧化碳和镁的氧化-还原反应产生。如果需要，另外的物质，例如反应催化剂、控制剂、或复合材料可以包含在反应中。该反应能够由多种输入的物质制备纳米材料。二氧化碳和镁在反应器中共同燃烧以制得纳米-氧化镁、石墨烯、石墨烯复合物、以及如果需要的其它纳米产品，然后将它们通过适当的方法或反应分离或除去以得到单独的反应产物。通过改变工艺参数，例如反应温度和压力，可以控制碳纳米产品和其它纳米产品的类型和形态。Mg-CO2反应是高能的，产生约5610° F(3098° C)或更高的极高温度，并且也产生大量形式为热和光的有用能量，包括红外和紫外辐射，全部这些能量在本专利技术中可以捕获和再次使用或者可以用于其它应用。燃烧的产物，特别是氧化镁，可以再循环从而提供另外的氧化剂用于与二氧化碳的燃烧。反应产物包括MgO (方镁石)和MgAl2O4 (尖晶石)的新型纳米晶体以及这些纳米晶体与沉积在它们之上或与它们层插的多层石墨烯的复合物。附图说明图1是根据本专利技术的一种实施方式的流程图。图2是根据本专利技术的另一种实施方式的流程图。 图3是进行本专利技术方法的反应器的一种实施方式的垂直断面图。图4是在图3的实施方式中作为连续环状流燃烧室操作的反应室的垂直断面图。图5是在图3的实施方式中作为离心分离器操作的反应室的垂直断面图。图6是进行本专利技术方法的系统的一种实施方式的方块图。图7是进行本专利技术方法的系统的另一种实施方式的方块图。图8是适用于图7的实施方式的高压CO2反应器或炉子的一种实施方式的分解垂直断面图。图9是在图8的实施方式中反应器的上端盖的底部平面图。图10是在图8的实施方式中反应器的下端盖的顶部平面图。图11是进行本专利技术方法的系统的另一种实施方式的方块图。图12是用于进行本专利技术方法的反应器的另一种实施方式的部分示意的垂直断面图。图13是在图12的实施方式中反应室的较低壁的放大底部平面图。图14是用于进行本专利技术方法的反应器的另一种实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.21 US 61/385,087;2011.04.19 US 13/090,0531.制备纳米材料的方法，包括以下步骤:在产生极高能量和热量的高度放热反应中将反应物共同燃烧，使所述反应的产物快速冷却形成纳米粒子，且将不同材料的纳米粒子彼此分离。2.权利要求1的方法，其中所述反应产生巨大量的能量，包括在约1000°F(537° C)至约7000° F(3871° C)的温度的热量。3.权利要求1的方法，其中所述纳米粒子通过选自以下的方法分离:环状流分离，漩涡分离，重力池分离，浮选分离，离心分离，精选分离，过滤，酸洗涤，去离子水洗涤，超声处理，在真空中升高温度的处理，及其组合。4.权利要求1的方法，其中捕获并利用通过所述反应产生的热量。5.权利要求1的方法，其中捕获并利用通过所述反应产生的红外线和紫外线能量。6.权利要求1的方法，其中所述反应是氧化-还原反应，并且所述反应物包括含氧的分子和至少一种土金属。7.权利要求6的方法，其中所述土金属选自镁，铝，钛，锌，钠，锂，钙，及其组合。8.权利要求1的方法，其中所述反应物包括含碳的分子，并且所述纳米粒子包括碳石墨稀。9.权利要求8的方法，其中所述含碳的分子选自二氧化碳，一氧化碳，光气(COCl2)，甲烷，乙烯，乙炔，其它含碳物质，及其组合。10.权利要求1的方法，其中所述极高能量和热量通过在二氧化碳(CO2)存在下燃烧镁(Mg)产生。11.权利要求10的方法，包括以下步骤:捕获氧化镁(MgO)反应产物，从所述MgO反应产物回收镁(Mg)，和在所述反应中使用回收的Mg。12.权利要求10的方法，其中CO2从化石燃料燃烧回收。13.权利要求1的方法，其中所述高能量和热量通过选自以下的来源产生:太阳能炉，核反应，电弧，磁致水力加热等离子体，以及氢气或其它燃料的燃烧。14.权利要求1的方法，包括以下步骤:将所述纳米粒子减小至较小的尺寸以减少聚结和提供具有较大表面积的更均匀样品用于之后的处理。15.权利要求1的方法，其中所述燃烧反应作为间歇法进行。16.权利要求1的方法，其中所述燃烧反应基于连续法进行。17.权利要求1的方法，其中将非反应物与所述反应物一起引入和/或与所述反应物一起燃烧，形成所述非反应物的纳米粒子或纳米复合物。18.权利要求17的方法，其中所述非反应物选自硅，银，金，铜，铁，及其组合。19.权利要求1的方法，其中控制所述方法的操作参数以确定所述反应产物的性质和形态。20.权利要求1的方法，其中所述反应在CO2或惰性气体气氛中进行，该气氛防止所述反应产物的反应后燃烧。21.制备碳石墨烯和其它纳米材料的方法，包括以下步骤:在产生包含碳和氧化镁(MgO)的反应产物的高度放热氧化-还原反应中使二氧化碳(CO2)和镁(Mg)共同燃烧，使所述反应产物快速冷却以形成碳石墨烯和MgO纳米粒子,从所述反应收集气态MgO,将所述碳石墨烯和所述MgO纳米粒子彼此分离,纯化所述碳石墨烯,加工至少一些所述MgO以从中回收Mg，和使用至少一些在所述燃烧反应中回收的Mg。22.权利要求21的方法，其中所述燃烧反应在反应室中进行，从所述反应室收集气态MgO,且所述碳石墨烯和...

【专利技术属性】
技术研发人员：RW迪金森，BWO迪金森三世，JK迈尔斯，OD奥斯特豪特，LJ穆塞蒂，
申请(专利权)人：高温物理有限责任公司，
类型：
国别省市：