[发明专利]一种连续生长碳纳米管的装置及其方法

说明书

本发明涉及电弧放电热等离子体方法技术领域，尤其涉及一种连续生长碳纳米管的电弧装置及其方法，该装置通过电弧热等离子体产生的高温与离子轰击双重作用高效催化裂解碳源物质、重新结晶生成高石墨化程度的碳纳米管。装置主要包括电弧室、恒温室以及沉积室，并通过管道依次串联。电弧室中含金属阳极和具有弯角的石墨电弧槽阴极，待引弧气体由石墨槽注入电弧室，两电极间施加电压后形成稳定电弧。电弧室外部均采用隔热保温壳体，而沉积室则采用双层水冷不锈钢腔壁，沉积室中设有笼式收集装置。待碳源物质经电弧室催化分解后进入恒温室后开始生长，并最终于沉积室中凝聚，未完全反应的气体可进一步收集注入该组合装置进行循环催化反应。

技术领域

本发明涉及电弧放电热等离子体方法技术领域，尤其涉及一种连续生长碳纳米管的电弧装置及其方法。

背景技术

电弧放电属于气体放电中最强烈的一种自持放电方式：当电源提供较大功率的电能时，极间电压仅需几十伏，两极之间的气体可持续通过较强的电流(5~600A)而被电离形成等离子体，产生高温(2000~10000℃)的同时发出强烈的光辉。在高温电弧及离子轰击双重作用下，甚至可以蒸发石墨、钛、钨、钼等高熔点物质，重新结晶制得高纯度金属及合金等；电弧放电还可以用于金属氧化物的卤化、低沸点碳氢化合物的热裂解等反应，因此电弧放电具有极高的工程应用价值。

电弧放电法是一种制备高结晶度碳纳米材料的传统方法，CN 1823006 A、CN2475983Y、CN 1765735 A和CN 102009974 A等中国专利均介绍了采用传统电弧放电法，利用石墨烧蚀电极生长碳纳米材料的电弧装置或方法，而迫使石墨电极蒸发烧蚀需要极高温度(熔点为3850±50℃，沸点为4250℃)，进而增加了电弧系统的整体能耗；另一方面，烧蚀的石墨阳极受其尺寸的影响易于耗尽，此时需等待电弧炉完全冷却后，排空打开电弧炉更换石墨阳极再进行抽真空，通入电离气体预热重复电弧反应，大幅降低了制备效率，难以用于工业化批量生产。

本发明通过持续向电弧反应腔室通入碳氢化合物原料达到连续生长高结晶度碳纳米管的目标。一方面，绝大部分碳氢化合物的催化分解温度(600~1000℃)比石墨低，电弧系统能耗可大幅降低，采用碳氢化合物还可以高效控制蒸发的碳原子浓度，不会像采用石墨等含碳量高的固体电极容易产生无定形碳杂质；同时，将传统的烧蚀石墨阳极变为金属粉体阳极，在电弧放电过程中，金属阳极逐渐升温并不会引起大面积烧蚀现象，而是熔融并缓慢蒸发作为催化碳氢化合物的原子级催化剂，可高效生长高结晶度的碳纳米管。另一方面，因为可以在电弧腔室底部装入大量的金属，电弧反应可以长时间持续进行；如果需要进一步延长反应时间扩大产能，还可以在电弧室顶部加装补充金属粉体的喂料口。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种连续生长碳纳米管的装置的方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为了达到上述目的，本公开实施例的技术方案是：一种连续生长碳纳米管的装置，所述装置包括通过管道依次密封连接的电弧室、恒温室和沉积室，

所述电弧室包括隔热绝缘外壁和中空反应腔室，其中，所述中空反应腔室内部设有阴极，所述阴极内部设有中空进气气路，所述中空进气气路一端与设置在电弧室外侧的反应气瓶连接，所述中空反应腔室底部设有阳极，所述阴极和阳极之间设有引发电弧的电弧焊装置。

根据本公开实施例，所述阴极为石墨电弧槽，所述石墨电弧槽的一端为进气端，另一端为出气端，所述进气端与出气端之间具有一定夹角，所述夹角的取值范围为90-150°，以有效防止起弧后电弧向阴极内部渗透造成阴极损耗。

根据本公开实施例，所述金属阳极为具有催化性能的过渡金属，其纯度大于99.9%。

根据本公开实施例，所述恒温室采用隔热外壁保护或置于卧室管式炉中保持恒温。

根据本公开实施例，所述沉积室包括双层水冷不锈钢腔壁和内部腔室，所述内部腔室设有由若干可旋转不锈钢滤网组成的收集装置。