[发明专利]一种纳米碳材的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米碳材的制备方法，特别是涉及反应过程中利用带环壁保护气体喷射系统的可分区控温炉体的合成炉，在环壁保护气幕的保护下，进行化学气相沉积合成纳米碳材。

背景技术

自从1991年日本科学家lijima在直流电弧法生产富勒烯的阴极沉积物中发现了纳米碳管后，对它的研究已成为物理学、化学和材料科学最前沿的热点领域之一。碳纳米管是一种新型碳结构，它是一种中空的碳纤维，管壁由一层或数层石墨烯卷曲而成，各层与层间距约为0.34nm，管径由几个到几十个纳米，管长可达数十到数毫米，可近似看成是一种准一维材料。

到目前为止，碳纳米管的制备工艺得到了广泛研究,包括电弧放电法、激光烧蚀、电解、低温固体裂解、碳氢化合物催化分解或化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法(CVD)是目前较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。但CVD方法中，碳纳米管的产量、质量以及其微观结构收到反应温度、物料运动方向及反应气氛等方面的影响，产品质量难以控制，而且碳管相互缠绕和卷曲，难以分散，阻碍了产业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种在带环壁保护气体喷射系统的可分区控温炉体的合成炉，进行化学气相沉积合成，形成不相互缠绕的碳纳米管的制备方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种纳米碳材制备方法的技术方案：其特征在于，所述制备方法是在带环壁保护气体喷射系统的可分区控温炉体的合成炉，进行化学气相沉积合成，具体包括步骤：

（1）将金属化合物催化剂和碳源混合，将上述原料通过喷射进料系统，喷射到所述的合成炉中，

（2）所述合成炉上下保护气流速为30ml/min~60ml/min，炉体包括上中下三个温区，在上温区金属化合物催化剂被还原为单质金属，到中温区碳纳米管在金属原子表面生长，到下温区活性金属立刻被污染、催化活性丧失，纳米碳管便停止继续成长，从而控制碳管长度，

（3）金属纳米碳材在合成炉尾部受氮气保护冷却到室温即得产品。

优选地，所述步骤（1）中的原料喷射的流量速度为：100mL/min~ 500mL/min。

优选的，所述金属催化剂为锰、铁、钴、镍、钒的氧化物、氢氧化物、有机酸盐、金属茂化合物及其衍生物、金属羰基化合物以及衍生物。

优选的，所述碳源为烃类及其衍生物，为液态烷烃类、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸中的一种或几种。

优选地，所述合成炉的炉体包括上中下三个温区，温度分别为400℃-600℃、800℃-1200℃、400℃-100℃。

优选的，保护气体为氩气、氮气、氦气、氨气、氢气的一种或几种的混合，且上保护气和下保护气可以相同或不同。

优选的，所述反应炉包括炉体，在炉体内安装有由气管连通成管网构成的环壁保护气体喷射系统，在所述气管上分布着复数个喷嘴；所述环壁保护气体喷射系统包括由气管连通成的顶部管网、中部管网和底部管网组成；所述顶部管网位于炉体内的上段，且与顶部炉壁平行；所述底部管网位于炉体内的下段，且与底部炉壁平行；所述中部管网位于炉体内中段，且与中部炉壁平行，其气管上下两端分别连接顶部管网和底部管网。

优选的，所述顶部管网的气管以物料进口为中心，根据顶部炉壁的形状，以平面或倒锥面辐射状等间距分布；所述底部管网的气管以物料出口为中心，根据底部炉壁的形状，呈锥面或平面辐射状等间距分布；所述中部管网在炉体内的横切面布置形状为正多边形，且气管与中部炉壁的垂直间距相等。

优选的，保护气分别通过气体输送管道进入环壁保护气体喷射系统的顶部管网和底部管网的气管内，保护气流从喷嘴处的喷射方向可平行或相交于顶部炉壁和底部管壁，在顶部和底部炉体内形成一层与炉体内壁平行或紧贴内壁的保护气幕；然后保护气体分别从顶部管网或底部管网进入中部管网，按顺时针或逆时针方向从一根气管的若干个保护气喷嘴喷向相邻的另一根气管或内壁，在中部炉体内形成一层与炉体内壁平行或紧贴内壁的保护气幕。该气幕提供炉体内物料反应时所需的均匀保护气氛、控制物料运动方向平行于炉管，防止碳管沿不同方向生长，避免碳管的卷曲与缠绕，又可防止物料与炉壁直接接触，避免副反应发生，保持炉壁清洁。