[发明专利]旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及方法

说明书

本发明涉及碳纳米管制备技术领域，具体一种利用旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。本发明方法包括催化剂的预热处理、催化裂解和、冷却收集三个步骤。本发明利用废气热预活化催化剂后，大大减少能耗，进入催化裂解炉，旋转炉管内搅板在炉管旋转时将催化剂在炉管内扬洒，对炉管内碳源气体的碳氢键裂解，碳原子以催化剂活性金属为晶核沉积生长，最终制备得到碳纳米管；本发明依靠搅板扬洒催化剂与碳源气体充分接触，炉管与搅板设置成的倾斜度实现物料推进，碳纳米管生长环境中只有碳源气体，无其他辅助气体，碳源气体可充分裂解制备碳纳米管，得以充分利用；本发明实现不同催化剂及不同碳源气体，制备各种碳纳米管，一台设备通用。

技术领域

本发明涉及碳纳米管制备技术领域，具体一种利用旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。

背景技术

碳纳米管作为一维纳米材料，其重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管具有中空的结构，可以用作微型模具。即在其内部可填充金属、氧化物等物质，制备出最细的纳米尺度的导线等，用于未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中。还可制作碳纳米管增的塑料、碳纳米管增强陶瓷复合材料、金属基复合材料，还可以做最细的试管以及能称量单个原子质量的“纳米秤”等等。

目前已经报道的碳纳米材料包括碳纳米纤维、石墨烯、纳米碳球等，而碳纳米管是作为世界公认的最细的纤维；这些材料由于具备良好的导电性、高机械性能和高比表面积，在电化学催化和储能等可再生能源转换技术领域中占据着重要角色。

目前碳纳米管的宏量制备方法主要是化学气相沉积法，化学气相沉积法是利用催化剂裂解碳氢化合物，以活性金属原子为催化剂晶核，碳原子以该核沉积生成碳纳米管。根据化学气相沉积法的原理可以知道，催化剂活性组分与碳源气体接触越充分，碳氢键裂解产生的碳原子就越多的沉积生长在活性金属表面，生长的碳纳米管就越多，生长形貌就越好。化学沉积法在工程化生产中，其实现手段主要有移动法和沸腾法（又称流化床法）。移动法利用料舟作为载具，将催化剂放入料舟在管式炉炉管内移动，在条件具备区域内，生长碳纳米管；移动法生产过程中，催化剂固定在料舟内，完全依靠碳源气体在料舟催化剂堆放表面及渗透进入接触催化剂，也就是说，催化剂是被动与碳源气体接触，因此存在催化剂与碳氢化合物接触不充分，影响碳纳米管生长等缺点，导致只能用于低倍率的碳纳米管制备，通常以甲烷作为碳源。为了克服移动床的上述缺点，出现了沸腾法（又称流化床法）生产碳纳米管，沸腾法利用氮气将催化剂吹悬浮于充满碳氢化合物的井式炉内，碳源气体与催化剂活性金属实现充分接触，更好的生长碳纳米管。

例如申请号为200780013608.6的中国发明专利，发明名称为流化床制备碳纳米管的方法，公开了一种在流化床反应器中通过碳氢化合物在多相催化剂上分解制备碳纳米管的方法，其中反应器可间歇或连续地操作，并且在连续操作的情况下，可经过筛选或不筛选进行卸料。

但是，沸腾法也存在氮气压力不稳定，导致生长过程难控制等缺点，同时在碳源气体环境中大量冲入氮气，稀释碳源气体，为保证碳纳米管生长就必须大过量冲入碳源气体，一方面井式炉内压力不能太高，为了保持一定压力，就要大量排出炉内气体，导致大量碳源气体没有裂解就排出，造成碳源气体转化率低，环境污染大等缺点，沸腾法只能用于小管径碳纳米管制备，通常以丙烯作为碳源。移动法和沸腾法对催化剂的制备有各自的特殊要求，催化剂无法通用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了公开了一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、制备装置及制备方法，解决了现有技术中碳纳米管的制备方法与装置制备的碳纳米管规格单一，不能采用同一装置，通过控制不同原料加入量和工艺来制备不同规格的碳纳米管，且现有方法制备的碳纳米管质量较差的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，包括以下步骤：