[發明專利]旋轉法催化裂解碳氫化合物制備的碳納米管、裝置及方法

有效

• 申請號: 201910967509.6
• 申請日: 2019-10-12
• 公開（公告）號: CN111115614B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 岳凡欽;唐瑞
• 申請（專利權）人: 成都科匯機電技術有限公司
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162
• 代理公司: 成都立新致創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51277
• 代理人: 譚德兵

本發明涉及碳納米管制備技術領域，具體一種利用旋轉法催化裂解碳氫化合物制備的碳納米管、裝置及其制備方法。本發明方法包括催化劑的預熱處理、催化裂解和、冷卻收集三個步驟。本發明利用廢氣熱預活化催化劑后，大大減少能耗，進入催化裂解爐，旋轉爐管內攪板在爐管旋轉時將催化劑在爐管內揚灑，對爐管內碳源氣體的碳氫鍵裂解，碳原子以催化劑活性金屬為晶核沉積生長，最終制備得到碳納米管；本發明依靠攪板揚灑催化劑與碳源氣體充分接觸，爐管與攪板設置成的傾斜度實現物料推進，碳納米管生長環境中只有碳源氣體，無其他輔助氣體，碳源氣體可充分裂解制備碳納米管，得以充分利用；本發明實現不同催化劑及不同碳源氣體，制備各種碳納米管，一臺設備通用。

技術領域

本發明涉及碳納米管制備技術領域，具體一種利用旋轉法催化裂解碳氫化合物制備的碳納米管、裝置及其制備方法。

背景技術

碳納米管作為一維納米材料，其重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入，其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。由于碳納米管具有中空的結構，可以用作微型模具。即在其內部可填充金屬、氧化物等物質，制備出最細的納米尺度的導線等，用于未來的分子電子學器件或納米電子學器件中。還可制作碳納米管增的塑料、碳納米管增強陶瓷復合材料、金屬基復合材料，還可以做最細的試管以及能稱量單個原子質量的“納米秤”等等。

目前已經報道的碳納米材料包括碳納米纖維、石墨烯、納米碳球等，而碳納米管是作為世界公認的最細的纖維；這些材料由于具備良好的導電性、高機械性能和高比表面積，在電化學催化和儲能等可再生能源轉換技術領域中占據著重要角色。

目前碳納米管的宏量制備方法主要是化學氣相沉積法，化學氣相沉積法是利用催化劑裂解碳氫化合物，以活性金屬原子為催化劑晶核，碳原子以該核沉積生成碳納米管。根據化學氣相沉積法的原理可以知道，催化劑活性組分與碳源氣體接觸越充分，碳氫鍵裂解產生的碳原子就越多的沉積生長在活性金屬表面，生長的碳納米管就越多，生長形貌就越好。化學沉積法在工程化生產中，其實現手段主要有移動法和沸騰法（又稱流化床法）。移動法利用料舟作為載具，將催化劑放入料舟在管式爐爐管內移動，在條件具備區域內，生長碳納米管；移動法生產過程中，催化劑固定在料舟內，完全依靠碳源氣體在料舟催化劑堆放表面及滲透進入接觸催化劑，也就是說，催化劑是被動與碳源氣體接觸，因此存在催化劑與碳氫化合物接觸不充分，影響碳納米管生長等缺點，導致只能用于低倍率的碳納米管制備，通常以甲烷作為碳源。為了克服移動床的上述缺點，出現了沸騰法（又稱流化床法）生產碳納米管，沸騰法利用氮氣將催化劑吹懸浮于充滿碳氫化合物的井式爐內，碳源氣體與催化劑活性金屬實現充分接觸，更好的生長碳納米管。

例如申請號為200780013608.6的中國發明專利，發明名稱為流化床制備碳納米管的方法，公開了一種在流化床反應器中通過碳氫化合物在多相催化劑上分解制備碳納米管的方法，其中反應器可間歇或連續地操作，并且在連續操作的情況下，可經過篩選或不篩選進行卸料。

但是，沸騰法也存在氮氣壓力不穩定，導致生長過程難控制等缺點，同時在碳源氣體環境中大量沖入氮氣，稀釋碳源氣體，為保證碳納米管生長就必須大過量沖入碳源氣體，一方面井式爐內壓力不能太高，為了保持一定壓力，就要大量排出爐內氣體，導致大量碳源氣體沒有裂解就排出，造成碳源氣體轉化率低，環境污染大等缺點，沸騰法只能用于小管徑碳納米管制備，通常以丙烯作為碳源。移動法和沸騰法對催化劑的制備有各自的特殊要求，催化劑無法通用。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提出了公開了一種旋轉法催化裂解碳氫化合物制備的碳納米管、制備裝置及制備方法，解決了現有技術中碳納米管的制備方法與裝置制備的碳納米管規格單一，不能采用同一裝置，通過控制不同原料加入量和工藝來制備不同規格的碳納米管，且現有方法制備的碳納米管質量較差的技術問題。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種旋轉法催化裂解碳氫化合物制備碳納米管的方法，包括以下步驟：