[发明专利]一种用于研究碳纳米管生长的实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于研究碳纳米管生长的实验装置及方法，属于碳纳米管制备领域。本发明的实验装置，包括燃烧器，用于产生层流火焰；还包括催化剂基板、气缸和测温装置，所述催化剂基板安装在气缸的活塞杆上，能够在火焰上往复运动；所述气缸的进气管道和出气管道通过双向电磁阀与氮气瓶连接，用于控制所述活塞杆运动；所述测温装置用于检测火焰温度并实时显示，并通过信号发生器控制双向电磁阀的阀芯动作。本发明利用腔控制催化剂基板的运动，在进行碳纳米管采集时可将时间精准控制在毫秒级，从而实现在碳纳米管形成过程中进行采样收集，为生长机理的研究提供基础。

技术领域

本发明涉及碳纳米管制备技术领域，更具体地说，涉及一种用于研究碳纳米管生长的实验装置及方法。

背景技术

纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。碳元素广泛存在于自然界，其独特的物性和多样化的结构形态随着人类文明的进步而逐渐被发现或合成出来：三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的碳纳米管、零维的富勒烯球组成了完整的碳系家族。碳纳米材料是众多纳米材料中的重要分支之一，其中碳纳米管被称为“纳米之王”，近20年来一直是国际上的研究热点。

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维纳米量子材料，主要由六元环结构(碳原子sp²杂化)组成的单层或数层的同轴圆管，层与层之间的距离约0.34nm。碳纳米管可以看作是石墨烯片层卷曲而成，按照石墨烯片的层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管的独特结构(弯曲石墨、小直径和高纵横比)决定了它具有许多特殊的物理化学性质，如高机械强度和弹性、优良的半导体特性，以及高比表面积和强吸附特性，使其在催化剂载体、储氢材料、高能电容器、电池电极材料等领域具有巨大的应用前景。

碳纳米管合成有三个关键因素：碳源、热源和催化剂。自从日本电子显微镜专家Iijima在高分辨率透射扫描电镜下发现碳纳米管以来，其制备方法不断完善，主要有化学气相沉积法、电弧法、激光蒸发法，这些方法能制备出高质量的碳纳米管，但都需额外提供能量，增加成本，不易于大规模制备，尤其对于复合材料等领域需要大规模低成本的碳纳米管。碳氢气体火焰合成碳纳米管是一项开拓性的全新的技术研究领域，与传统方法相比，碳氢火焰是利用碳氢燃料燃烧产生的碳源在催化剂作用下合成碳纳米管，能同时提供制备碳纳米管所需的碳源和热源，具有高能效、低成本的优点，并且可以快速(几十秒)、大批量、连续生产碳纳米管，这为碳纳米管的商业化生产提供了有效途径。

在火焰法制备碳纳米管方面，研究者更多把重心放在催化剂、温度等因素对碳纳米管的影响，而忽视了碳纳米管采集系统。Chong等人采用支架支撑基板采样，采样高度调节不方便，采样时间难以精准控制(参考文献：Chong C T,Tan W H,Lee S L,etal.Morphology and Growth of Carbon Nanotubes Catalytically Synthesized byPremixed Hydrocarbon-rich Flames[J].Materials Chemistry and Physics,2017,197:246-255.)；清华大学于溯源在有机玻璃罩上悬吊基板采样，同样对采样高度和采样时间难以做到精准控制(参考文献：于溯源,于晓丽,杨小勇,等.甲烷受控扩散火焰合成碳纳米管的实验研究[J].热科学与技术,2007,6(4):340-345.)；武汉大学潘春旭采用酒精灯制备碳纳米管，支架支撑基板固定在酒精等上方(参考文献：祁祥,张峻,张豫鹏,等.乙醇火焰中生长一维碳纳米材料的研究进展[J].中国有色金属学报,2011,21(9):2119-2125.)。

中国专利申请号：CN201310744312.9以及中国专利申请号：CN201520133127.0，都提出了一种传送带方式连续制备碳纳米管的设想，为火焰法大规模制备碳纳米管指出了很好的方向，但目前火焰法大规模制备碳纳米管仍然处于基础研究中。