[发明专利]一种单/双壁碳纳米管的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种单/双壁碳纳米管的制备方法及其应用，其中，单/双壁碳纳米管的制备方法包括：将催化剂前驱体和碳源的混合物依次通过等离子体反应器入口、等离子体火焰区和生长区；等离子体火焰区的中心的温度≥5000℃；生长区的温度为1200℃～2000℃；混合物从等离子体火焰区的中心至生长区所需时长≤0.2s。本发明提供的制备方法能够有效提高所得单/双壁碳纳米管的生长效率和石墨化程度。本发明还提供了上述制备方法制得的单/双壁碳纳米管和用于实施上述制备方法的等离子体反应器。

技术领域

本发明涉及微纳合成技术领域，尤其是涉及一种单/双壁碳纳米管的制备方法及其应用。

背景技术

单/双壁碳纳米管是指单璧碳纳米管或双壁碳纳米管，与多壁管相比，单/双壁碳纳米管具有更大的长径比，石墨化程度更高(I_G/I_D＞10)，具有更优异的导电性和柔韧性，当用于二次电池导电剂时，在低添加量(最低可至0.05％)的情况下即可在正负极材料内部形成发达导电网络，进而显著延长锂电池的循环寿命和倍率性能。特别的，硅碳负极在充放电过程中，受制于硅较高的体积膨胀率(200％以上)，硅碳负极颗粒容易粉化，最终导致的电池快速衰竭，而单/双壁碳纳米管凭借其高柔韧性和优异导电性，可以有地解决硅碳负极面临的上述问题。

为了更好地满足硅基负极的应用需求，需要单/双壁碳纳米管具有较高石墨化程度(I_G/I_D＞80)，传统技术中，为提升石墨化程度，一种有效的方法是采用纳米铁气溶胶(粒径＜5nm)在＞1000℃的温度条件下催化碳源分解生长出所需产品。为了制备纳米铁气溶胶，有技术公开了以二茂铁等有机金属化合物的稀溶液作为催化剂前驱体注入1100℃～1500℃的反应器中，催化剂前驱体溶液进入反应器后原位生成纳米铁气溶胶，进而催化碳源(甲苯和乙烯)分解生长出单壁碳纳米管。为了防止生成的尺寸过大(粒径＞5nm)的纳米铁，需限制催化剂前驱体的通入量，因而单壁管的生长效率受到了限制。还有技术公开了一种含有催化剂预处理和加速单元的单壁碳纳米管反应器，该反应器将含有催化剂和碳源的混合气体加速到5m/s～50m/s，大量粒径分布较窄(主要粒径范围为1nm-8nm)催化剂颗粒快速进入反应区，避免了催化剂团聚的同时，在3000L的反应体积下获得了2.3kg/h的生长效率。但其单位反应体积的生产效率为仅为0.77g/(L·h)，且由于其制备的催化剂中仍存在部分粒径＞5nm的颗粒，因而其获得的产物的I_G/I_D最高仅为78。

综上，传统的制备方法制得的单/双壁碳纳米管的石墨化程度较低、且单位反应体积的生长效率较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种单/双壁碳纳米管的制备方法，能够有效提高所得单/双壁碳纳米管的生长效率和石墨化程度。

本发明还提供了上述制备方法制得的单/双壁碳纳米管。

本发明还提供了上述单/双壁碳纳米管的应用。

本发明还提供了用于实施上述制备方法的等离子体反应器。

根据本发明的第一方面实施例，提出了一种单/双壁碳纳米管的制备方法，所述制备方法包括：

将催化剂前驱体和碳源的混合物依次通过等离子体反应器入口、等离子体火焰区和生长区；

所述等离子体火焰区的中心的温度≥5000℃；

所述生长区的温度为1200℃～2000℃；

所述混合物从所述等离子体火焰区的中心至所述生长区所需时长≤0.2s。

所述制备方法的机理为：

混合物在等离子体火焰区转变为高活性的等离子态，转运至生长区的过程中，催化剂前驱体的等离子态转化为对应的小粒径催化剂(1～5nm)，碳源的等离子态转变为碳原子；