[发明专利]制造长碳纳米纤维的方法和系统

说明书

公开了用于制造宏观长度的碳纳米管的系统和方法。在电池中含有的镍合金阳极与镍合金阴极之间提供包括过渡金属粉末的碳酸盐电解质。将所述碳酸盐电解质加热至熔融状态。将电流施加到镍合金阳极、镍合金阴极和设置在所述阳极与所述阴极之间的熔融碳酸盐电解质。从电池的阴极收集所得的碳纳米管生长物。

优先权

本申请要求2016年11月16日提交的第62/423,052号美国临时专利申请的优先权，所述申请通过援引整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及碳纳米管的制造，并且具体地涉及由熔融碳酸盐电解质制造长的宏观长度的碳纳米管。

背景

从1985年开始，在认识到各种独特的诸如富勒烯、纳米管和纳米纤维的碳纳米结构之前，早在十九世纪晚期就已经认识到可在来自氢氧化物和氯化钡/碳酸钡熔体的无机熔融电解质中将碳酸盐还原成(宏观)碳。当今，碳纳米纤维制造的主要方法是将聚合物纳米纤维前体纺丝，然后进行碳化热处理和催化热化学气相沉积(CVD)生长。通过金属或合金来催化碳纳米纤维的CVD生长，金属或合金能够溶解碳以形成包括镍、铁、钴、铬和钒的金属碳化物。需要相对于碳纳米纤维的低水平的催化剂，并且在纤维尖端处观察到明显的催化剂纳米颗粒，以及沿着纤维在碳纳米纤维生长期间迁移的催化剂簇。已经观察到各种碳纳米纤维形态，包括线性、线圈形和球形的聚集的碳纳米纤维。这些技术昂贵，难以大规模实施，导致了目前碳纳米纤维的高成本。

碳纳米管具有作为材料资源的巨大潜力，由于其特征优异的强度、导电性和导热性、柔性和耐久性，应用范围从增强复合材料、电容器、锂离子电池、纳米电子器件和催化剂到轻质、高强度建筑材料的主要组分。使用化学气相沉积或电弧放电或聚合物牵引/碳化的有机金属反应物是主要值得注意的，然而是昂贵的制造碳纳米纤维或纳米管的方法。一种最近的创新是使用熔融电解方法来产生碳纳米管。在该方法中，熔融碳酸盐电解质设置在阴极与阳极之间。注入CO₂并且向阴极施加电流。该方法在阴极上产生可包括碳纳米管的碳残余物。

碳纳米管的熔融电解制造中的阴极是在其上沉积这种碳产物的电极。以前，本领域的现状认为，除了导电和稳定之外，阴极的组成是不相关的。假设背后的推理是：在电解时，所有阴极变成涂覆有过渡金属核位点和电沉积的碳，并且有效地变成碳电极。因此，广泛地假设最下面的原始阴极材料对于电解的目的变得不相关。先前已知的阴极仅产生高品质的短的(微观长度)碳纳米管，其通过短期电解(例如对于短期或长期电解)形成。长期电解产生较厚直径的碳纳米管。然而，仅制得的碳纳米管不是直的、不是均匀的并且不适合于产生碳复合材料或碳强度。在这些先前条件下，长期电解导致趋于成比例更厚的(但不受控制的形态)直径，但不成比例更长的长度结构。

因此，可以通过熔融电解方法在基底上形成的碳纳米管的长度通常受到限制。使用短长度碳纳米管的主要挑战在于，虽然它们保持独特品质的强度、导热性和导电性以及柔性，但是它们不能编织在一起。这些短长度碳纳米管不太可能是由高强度碳布和碳复合材料组成的最大碳纳米管市场的候选物。廉价的高强度碳复合材料作为钢和铝的较轻重量的替代品包括这些材料的主要潜在市场，并且将提供用于储存转化的人为(anthropogenic)CO₂的主要来源。

因此，需要制造具有较大长度的碳纳米管以增加碳纳米管的实用性。因此，缺乏由二氧化碳的熔融碳酸盐电解产生的均匀的长长度的碳纳米管对于它们的发展仍然是相当大的挑战。正在克服由CO₂通过熔融碳酸盐碳纳米管合成产生短长度的碳纳米管的先前屏障。这允许一锅法熔融电解质产生适用于编织成碳复合材料和碳布的长长度、均匀的碳纳米管。然而，未研究能够产生宏观长度的碳纳米管的碳纳米管生长物延伸元件。