[发明专利]一种电极喷射装置、碳纳米管反应器及碳纳米管制备方法

说明书

本发明提供一种电极喷射装置、碳纳米管反应器及碳纳米管制备方法。利用高压静电场将带有催化剂和助剂的液体碳源形成小尺度的液滴，带电液滴被静电场加速高速向高温反应区运动，在运动过程中液滴中碳源在高温下挥发，液滴中的催化剂和助剂受电荷斥力的作用产生“库伦爆炸”，形成高浓度、弥散的、不易团聚的催化剂颗粒烟雾，催化剂在高温下吸附碳源中裂解的碳原子开始生长。本发明提供的装置和方法大大提高了碳源转化率，提高了碳纳米管的产率，操作简单且能耗低，可以大规模生产。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种电极喷射装置、一种碳纳米管反应器和一种碳纳米管制备方法。

背景技术

碳纳米管具有长径比大、抗拉强度高、导电性好、良好的柔韧性和优良的化学稳定性等特点，在锂离子电池、航空、航天等领域具有广阔的应用。大批量的工业级碳纳米管制备是碳纳米管化应用的前提。

碳纳米管的合成方法主要有电弧法、激光蒸发法、载体催化剂法和浮动催化裂解法。其中浮动催化剂化学气相沉积法是制备高质量、高纯度单壁碳纳米管的最有效方法之一。浮动催化法是用气体把碳源和催化剂快速带入高温区，在高温反应区金属有机物分解出的金属原子在高温区团聚形成纳米金属颗粒，碳源在高温和过渡金属粒子的催化作用下分解出碳形成单壁碳纳米管。有研究者采用CO气体为碳源制备了单壁碳纳米管，但其产量及产率很低。也有研究者使用苯作为碳源，采用卧式浮动催化裂解工艺制备单壁碳纳米管。研究者对浮动裂解工艺中各种参数进行了优化和改进，由正己烷、0.010-0.020g/ml的二茂铁和0.2-0.6wt%噻吩组成的反应溶液。反应溶液引入流量为0.2-0.8ml/min；氢气的流量为150-300ml/min。以蒸汽的形式随氢气一同引入反应器进行催化裂解，制备出的超长绳状单壁碳纳米管产物。

也有人提供一种以醇为碳源的流动催化连续合成单壁碳纳米管的方法，惰性气体为保护气体及载气把碳源和催化剂快速带入高温区，在高温反应区金属有机物分解出的金属原子在高温区团聚形成纳米金属颗粒，醇在高温和过渡金属粒子的催化作用下分解出碳形成单壁碳纳米管。催化剂的醇溶液浓度为0.001-0.01g/m1，通入速率为20-100ml/h,载气流量为80-1601/h。此外，还有研究者提供一种单壁碳纳米管制造方法，将含有原料烃、茂金属及硫化合物的原料混合物以烟雾状导出到以1-50m/sec的流通线速度而流通有氢气的导出区域中，原料烃的质量浓度为0.01-2.0%。茂金属的质量浓度为0.001-0.2%，硫化合物的浓度对于上述茂金属的质量比为0.125-4倍的比例。

也有人提供了一种单壁碳纳米管的制备方法和用于制备单壁碳纳米管的反应装置。反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体,和用于提供碳源的碳源补给室,反应腔体分成上下两室,分别为反应室和液碳储存室；反应室包括经顶壁引入、且垂直于顶壁设置的转轴，转轴在远离顶壁的一端固定连接有基底,反应腔体的内壁设置有加热装置，反应腔体开设有通气口;在基底上沉积含掺杂元素的金属催化剂前驱体,在惰性气氛下,向液碳储存室中注入液碳,其中,掺杂元素为非金属元素;转动转轴,加热使液碳储存室中的液碳蒸发；继续加热至700-1000度,通入还原气体,反应制备得到单壁碳纳米管。

在以上浮动催化裂解方法中，为保证催化剂在高温热解中形成尺寸较小的颗粒，催化剂在碳源中浓度较低，催化剂与碳源的比例通常为1:50至1:200，且需要载气将液体碳源以较高的流速带入高温区，催化剂、助剂和液体碳源在高温区蒸发过程中，由于沸点的不同，三者依次蒸发，气相混合不均匀，造成在单壁碳纳米管的合成过程中，催化剂中活性组分在总体中比较低，低浓度的催化剂和大量的载气导致碳源转化率低，因此单壁碳纳米管合成产率低，操作空间小，能耗高，大规模生产困难，价格昂贵。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电极喷射生产碳纳米管的方法及其反应器，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于生产碳纳米管的电极喷射装置，包括：

存储容器，具有碳源容纳空间，其一端设有挤压开口，相对的另一端设有挤出口，还具有进料管道；