[發(fā)明專利]一種富勒烯燃燒合成裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910111152.8
• 申請(qǐng)日: 2009-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN101503188A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 翁群紅;孫頔;林水潮;陳建華;謝素原;黃榮彬;鄭蘭蓀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種富勒烯燃燒合成裝置，尤其是涉及一種采用乙炔和苯蒸氣共同與氧燃燒的方法制備C₆₀、C₇₀以及富勒烯衍生物和其它碳簇的裝置。

背景技術(shù)

自富勒烯于1985年被發(fā)現(xiàn)以來，富勒烯便引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。富勒烯的合成方法和潛在的應(yīng)用價(jià)值等方面被廣泛地研究，同時(shí)理論研究亦越來越深入，為實(shí)驗(yàn)研究提供了必要的理論指導(dǎo)，使它迅速成為化學(xué)研究中的一個(gè)熱門領(lǐng)域。自從C60被發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)于富勒烯合成方法的探索從來沒有停止過。富勒烯的合成方法主要包括激光蒸發(fā)石墨法、高頻電阻爐加熱蒸發(fā)石墨法、石墨電弧放電法、太陽能加熱石墨法、萘熱解法、微波合成法、輝光放電法和火焰燃燒法等，這些方法為富勒烯的合成提供了諸多選擇，也為研究富勒烯的形成機(jī)理開辟了道路。

在1985～1989年，Homann等人建立了一系列碳?xì)浠衔锘鹧娣ǖ膶?shí)驗(yàn)，對(duì)燃燒火焰不同高度的氣體進(jìn)行采樣分析，檢測(cè)到與電弧法得到的富勒烯具有相同的分子量的離子。1991年，MIT的Howard研究小組在低壓下的苯/氧火焰中發(fā)現(xiàn)并鑒定了C₆₀和C₇₀的存在，并進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，他們的研究明確了體系的壓力、C/O原子比值、溫度及稀釋氣體的種類、氣體流出速度和濃度等因素對(duì)預(yù)混的苯/氧層流火焰中C₆₀和C₇₀產(chǎn)率有重要影響。后來的研究表明，乙炔、丁二烯、甲苯和萘等作原料也能夠得到富勒烯，只是與苯氧相比產(chǎn)率較低。

火焰法中的燃燒方式主要有兩種，即預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒。預(yù)混燃燒是燃料氣體與氧氣在進(jìn)入燃燒設(shè)備之前就已經(jīng)均勻混合成為可燃混合氣的燃燒方式，這是最基本的燃燒方式。擴(kuò)散燃燒是燃料氣體與氧從各自的釋放源通過擴(kuò)散達(dá)到相互接觸，在點(diǎn)火源所提供的能量激發(fā)下發(fā)生燃燒，可燃?xì)馀c氧氣的混合是在燃燒過程中進(jìn)行的，即邊混合邊燃燒。

與石墨電弧法合成富勒烯相比，碳?xì)淙剂贤ㄟ^火焰燃燒法制備富勒烯具有以下優(yōu)勢(shì)：火焰法生成的C₇₀/C₆₀比率范圍達(dá)到0.26～5.7，而石墨蒸發(fā)方法可變范圍只有0.02～0.18，通過調(diào)整火焰條件可以顯著提高某些特定產(chǎn)物，特別是價(jià)格更為昂貴的大富勒烯的產(chǎn)量；制備成本更低。火焰法所需原料為苯、乙炔等有機(jī)燃料，較之石墨電弧法中使用的高純石墨棒成本顯著降低；火焰法中富勒烯生成所需的能量都是由燃燒自身放出的熱量提供，而石墨電弧法則需要高密度的能量輸入，所以運(yùn)行成本也更為低廉；與之前的電弧方法相比，燃燒法中燃料氣體和氧氣能夠得到連續(xù)的供應(yīng)，燃燒合成法使得反應(yīng)進(jìn)料過程可以持續(xù)進(jìn)行，不僅提供了一條新的大量制備富勒烯的方法，而且能夠在很大范圍內(nèi)控制產(chǎn)物的分布。

目前國外已經(jīng)初具規(guī)模化的火焰合成裝置無一例外均采用預(yù)混燃燒的方式組織氣體進(jìn)行燃燒合成(1、J.B.Howard，J.T.Mckinnon，Y.Makarovsky，A.L.Lafleur，M.E.Johnson.Fullerenes?C₆₀?and?C₇₀?in?flames.[J]，Nature?1991，352，139-141；2、Alford?et?al.，U.S.Pat.No.7,279,137，B2)。預(yù)混燃燒可達(dá)到較高的燃燒效率，火焰比較短，燃燒所需氧氣的過量系數(shù)較少。但這樣的燃燒方式在混合氣體流速較大時(shí)會(huì)發(fā)生脫火而熄滅或者很難點(diǎn)燃，反之會(huì)發(fā)生回火，在火焰引燃和火焰控制方面有著苛刻精準(zhǔn)的要求，抗體系波動(dòng)能力差，這就連Howard本人(Howard?et?al.，U.S.Pat.No.5,273,729)也不得不承認(rèn)火焰的引燃和控制是一項(xiàng)“藝術(shù)”。而與之相對(duì)，擴(kuò)散燃燒則安全平穩(wěn)，且在易控性、操作彈性和抗體系波動(dòng)性方面有著預(yù)混燃燒難以匹敵的優(yōu)勢(shì)。擴(kuò)散燃燒也是最近幾年報(bào)導(dǎo)較多的一種燃燒方式，被認(rèn)為是比較有前途的燃燒方式。已經(jīng)報(bào)道(S.M.Lee，S.S.Yoon，and?S.H.Chung，Synergistic?effect?on?soot?formationin?counterflow?diffusion?flames?of?ethylene/propane?mixtures?with?benzene?addition.[J]Combustionand?Flame?2004，136，493-500)的專門用于富勒烯合成的擴(kuò)散裝置或過于復(fù)雜，或體系主要采用是玻璃材質(zhì)(見本申請(qǐng)人的中國發(fā)明專利，公告號(hào)為CN101012056A)，存在著安全上的隱患和合成能力上的缺陷。