[發明專利]一種納米碳材的制備方法

有效

• 申請號: 201310191131.8
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN103253650A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 屈瑤;高玉忠;董明
• 申請（專利權）人: 恒正科技（蘇州）有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

技術領域

本發明涉及一種納米碳材的制備方法，特別是涉及反應過程中利用帶環壁保護氣體噴射系統的可分區控溫爐體的合成爐，在環壁保護氣幕的保護下，進行化學氣相沉積合成納米碳材。

背景技術

自從1991年日本科學家lijima在直流電弧法生產富勒烯的陰極沉積物中發現了納米碳管后，對它的研究已成為物理學、化學和材料科學最前沿的熱點領域之一。碳納米管是一種新型碳結構，它是一種中空的碳纖維，管壁由一層或數層石墨烯卷曲而成，各層與層間距約為0.34nm，管徑由幾個到幾十個納米，管長可達數十到數毫米，可近似看成是一種準一維材料。

到目前為止，碳納米管的制備工藝得到了廣泛研究,包括電弧放電法、激光燒蝕、電解、低溫固體裂解、碳氫化合物催化分解或化學氣相沉積法等。其中，化學氣相沉積法(CVD)是目前較為廣泛的一種制備碳納米管的方法。但CVD方法中，碳納米管的產量、質量以及其微觀結構收到反應溫度、物料運動方向及反應氣氛等方面的影響，產品質量難以控制，而且碳管相互纏繞和卷曲，難以分散，阻礙了產業化應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種在帶環壁保護氣體噴射系統的可分區控溫爐體的合成爐，進行化學氣相沉積合成，形成不相互纏繞的碳納米管的制備方法。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種納米碳材制備方法的技術方案：其特征在于，所述制備方法是在帶環壁保護氣體噴射系統的可分區控溫爐體的合成爐，進行化學氣相沉積合成，具體包括步驟：

（1）將金屬化合物催化劑和碳源混合，將上述原料通過噴射進料系統，噴射到所述的合成爐中，

（2）所述合成爐上下保護氣流速為30ml/min~60ml/min，爐體包括上中下三個溫區，在上溫區金屬化合物催化劑被還原為單質金屬，到中溫區碳納米管在金屬原子表面生長，到下溫區活性金屬立刻被污染、催化活性喪失，納米碳管便停止繼續成長，從而控制碳管長度，

（3）金屬納米碳材在合成爐尾部受氮氣保護冷卻到室溫即得產品。

優選地，所述步驟（1）中的原料噴射的流量速度為：100mL/min~?500mL/min。

優選的，所述金屬催化劑為錳、鐵、鈷、鎳、釩的氧化物、氫氧化物、有機酸鹽、金屬茂化合物及其衍生物、金屬羰基化合物以及衍生物。

優選的，所述碳源為烴類及其衍生物，為液態烷烴類、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、異丙醇、丙三醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、油酸中的一種或幾種。

優選地，所述合成爐的爐體包括上中下三個溫區，溫度分別為400℃-600℃、800℃-1200℃、400℃-100℃。

優選的，保護氣體為氬氣、氮氣、氦氣、氨氣、氫氣的一種或幾種的混合，且上保護氣和下保護氣可以相同或不同。

優選的，所述反應爐包括爐體，在爐體內安裝有由氣管連通成管網構成的環壁保護氣體噴射系統，在所述氣管上分布著復數個噴嘴；所述環壁保護氣體噴射系統包括由氣管連通成的頂部管網、中部管網和底部管網組成；所述頂部管網位于爐體內的上段，且與頂部爐壁平行；所述底部管網位于爐體內的下段，且與底部爐壁平行；所述中部管網位于爐體內中段，且與中部爐壁平行，其氣管上下兩端分別連接頂部管網和底部管網。

優選的，所述頂部管網的氣管以物料進口為中心，根據頂部爐壁的形狀，以平面或倒錐面輻射狀等間距分布；所述底部管網的氣管以物料出口為中心，根據底部爐壁的形狀，呈錐面或平面輻射狀等間距分布；所述中部管網在爐體內的橫切面布置形狀為正多邊形，且氣管與中部爐壁的垂直間距相等。

優選的，保護氣分別通過氣體輸送管道進入環壁保護氣體噴射系統的頂部管網和底部管網的氣管內，保護氣流從噴嘴處的噴射方向可平行或相交于頂部爐壁和底部管壁，在頂部和底部爐體內形成一層與爐體內壁平行或緊貼內壁的保護氣幕；然后保護氣體分別從頂部管網或底部管網進入中部管網，按順時針或逆時針方向從一根氣管的若干個保護氣噴嘴噴向相鄰的另一根氣管或內壁，在中部爐體內形成一層與爐體內壁平行或緊貼內壁的保護氣幕。該氣幕提供爐體內物料反應時所需的均勻保護氣氛、控制物料運動方向平行于爐管，防止碳管沿不同方向生長，避免碳管的卷曲與纏繞，又可防止物料與爐壁直接接觸，避免副反應發生，保持爐壁清潔。