[發明專利]一種具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產系統及方法

有效

• 申請號: 201910207680.7
• 申請日: 2019-03-19
• 公開（公告）號: CN109928361B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 劉方;楊麗;吳鑫
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: C01B3/26
• 分類號: C01B3/26;C01B32/162;C01B32/17
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周敏

本發明公開了一種具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產系統及方法，該生產系統包括石英砂給料裝置、移動床反應器、換熱器、超聲波分離裝置、碳納米管提純裝置、甲烷氣瓶及氫氣儲存罐；采用移動床反應器，以廉價易得的甲烷氣體作為碳源，以天然石英砂作為非常規催化劑催化裂解生產碳納米管，同時產生高純度氫氣，并對負載在天然石英砂表面的碳納米管進行分離提純，石英砂作為非常規催化劑在反應過程中不失活，且隨反應進行，表現出越來越高的催化效率，催化裂解甲烷，能夠在低成本下，快速生產出大長徑比、長度可控、幾何尺寸一致性高的碳納米管；反應副產物為高純氫氣，可以作為下游產業的高附加值原料，進一步提高了整個系統的經濟性。

技術領域

本發明涉及碳納米管制備技術領域，具體涉及一種具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產系統及方法。

背景技術

碳納米管(Carbonnanotubes，簡稱CNTs)是一種由碳原子構成的具有層狀中空結構的納米材料，由于其在納米尺度上的特殊結構以及具有較大的長徑比，使得碳納米管在電子、光學器材、結構材料等多方面具有應用價值。按照組成碳納米管管壁的層數可將碳納米管分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。

目前，常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕蒸發法、等離子體法、化學氣相沉積法(CVD法)等，其中CVD法是制備碳納米管最常見的方法。在CVD法中，首先將基體升溫至700℃，再將載氣(包括氨氣、氮氣或氫氣)與含碳氣體(包括乙炔、乙烯、乙醇或甲烷)通入反應器，碳納米管在金屬催化劑(包括二茂鐵、FeCl₂、Ni和Co，或者它們之間的組合)周圍生成。流化床反應器是生產碳納米管最常用的設備。CVD法由于具有較高的性價比，可以直接在目標基體上生長，比較適合作為工業化生產碳納米管的主要方法。碳納米管的生長點可以通過金屬催化劑控制。

現階段CVD法主要面臨以下的技術問題：(1)為使得反應發生，需要制備昂貴的催化劑或碳基前體物質，導致生產成本高昂；(2)生產過程相對緩慢，效率低下，難以實現碳納米管快速、大量生產，不利于碳納米管的大規模工業化應用；(3)生產出的碳納米管結構缺陷多、一致性差、長度不足，嚴重限制了碳納米管的用途；(4)催化劑容易失活，且很難再生，所以不能連續生產。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產系統，

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：一種具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產系統，包括石英砂給料裝置、移動床反應器、換熱器、超聲波分離裝置、碳納米管提純裝置、甲烷氣瓶及氫氣儲存罐，所述移動床反應器外部包覆加熱元件，所述石英砂給料裝置的出口端連接移動床反應器的頂部入口，移動床反應器的下部出口連接換熱器的一端，換熱器的另一端連接超聲波分離裝置，超聲波分離裝置中盛有0.5wt％表面活性劑溶液，超聲波分離裝置的一出口連接石英砂給料裝置的入口，超聲波分離裝置的另一出口連接碳納米管提純裝置，所述碳納米管提純裝置包括離心機和微孔過濾器，

所述甲烷氣瓶連接換熱器的進氣端，換熱器的出氣端連接所述移動床反應器的底部入口，移動床反應器的頂部出口連接氫氣儲存罐。

本發明還提供基于上述生產系統進行具有自催化功能的碳納米管兼氫氣生產的方法，具體步驟是：

1)將天然石英砂置于石英砂給料裝置中，天然石英砂通過石英砂給料裝置自上而下進入移動床反應器中，甲烷氣體經過換熱器加熱后自下而上通入移動床反應器中，與天然石英砂充分接觸，流速為40mL/min，空速600/h，天然石英砂作為非常規催化劑催化甲烷裂解生產碳納米管，同時產生高純度氫氣，反應溫度為1000℃，反應時間為6s；

2)高溫的天然石英砂進入換熱器中，將常溫的甲烷氣體加熱至900-950℃，實現熱量回收，經過換熱器后的天然石英砂溫度下降至50-60℃，進入超聲波分離裝置；