[發(fā)明專利]一種電極噴射裝置、碳納米管反應(yīng)器及碳納米管制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110081220.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112744805B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉永剛;吳堯鋒;李琳;侯亞飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波埃氪新材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B32/162
• 分類號(hào): C01B32/162;C01B32/166
• 代理公司: 浙江中桓凱通專利代理有限公司 33376
• 代理人: 楊靖茹

本發(fā)明提供一種電極噴射裝置、碳納米管反應(yīng)器及碳納米管制備方法。利用高壓靜電場(chǎng)將帶有催化劑和助劑的液體碳源形成小尺度的液滴，帶電液滴被靜電場(chǎng)加速高速向高溫反應(yīng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液滴中碳源在高溫下?lián)]發(fā)，液滴中的催化劑和助劑受電荷斥力的作用產(chǎn)生“庫(kù)倫爆炸”，形成高濃度、彌散的、不易團(tuán)聚的催化劑顆粒煙霧，催化劑在高溫下吸附碳源中裂解的碳原子開(kāi)始生長(zhǎng)。本發(fā)明提供的裝置和方法大大提高了碳源轉(zhuǎn)化率，提高了碳納米管的產(chǎn)率，操作簡(jiǎn)單且能耗低，可以大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電極噴射裝置、一種碳納米管反應(yīng)器和一種碳納米管制備方法。

背景技術(shù)

碳納米管具有長(zhǎng)徑比大、抗拉強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、良好的柔韌性和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在鋰離子電池、航空、航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。大批量的工業(yè)級(jí)碳納米管制備是碳納米管化應(yīng)用的前提。

碳納米管的合成方法主要有電弧法、激光蒸發(fā)法、載體催化劑法和浮動(dòng)催化裂解法。其中浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積法是制備高質(zhì)量、高純度單壁碳納米管的最有效方法之一。浮動(dòng)催化法是用氣體把碳源和催化劑快速帶入高溫區(qū)，在高溫反應(yīng)區(qū)金屬有機(jī)物分解出的金屬原子在高溫區(qū)團(tuán)聚形成納米金屬顆粒，碳源在高溫和過(guò)渡金屬粒子的催化作用下分解出碳形成單壁碳納米管。有研究者采用CO氣體為碳源制備了單壁碳納米管，但其產(chǎn)量及產(chǎn)率很低。也有研究者使用苯作為碳源，采用臥式浮動(dòng)催化裂解工藝制備單壁碳納米管。研究者對(duì)浮動(dòng)裂解工藝中各種參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，由正己烷、0.010-0.020g/ml的二茂鐵和0.2-0.6wt%噻吩組成的反應(yīng)溶液。反應(yīng)溶液引入流量為0.2-0.8ml/min；氫氣的流量為150-300ml/min。以蒸汽的形式隨氫氣一同引入反應(yīng)器進(jìn)行催化裂解，制備出的超長(zhǎng)繩狀單壁碳納米管產(chǎn)物。

也有人提供一種以醇為碳源的流動(dòng)催化連續(xù)合成單壁碳納米管的方法，惰性氣體為保護(hù)氣體及載氣把碳源和催化劑快速帶入高溫區(qū)，在高溫反應(yīng)區(qū)金屬有機(jī)物分解出的金屬原子在高溫區(qū)團(tuán)聚形成納米金屬顆粒，醇在高溫和過(guò)渡金屬粒子的催化作用下分解出碳形成單壁碳納米管。催化劑的醇溶液濃度為0.001-0.01g/m1，通入速率為20-100ml/h,載氣流量為80-1601/h。此外，還有研究者提供一種單壁碳納米管制造方法，將含有原料烴、茂金屬及硫化合物的原料混合物以煙霧狀導(dǎo)出到以1-50m/sec的流通線速度而流通有氫氣的導(dǎo)出區(qū)域中，原料烴的質(zhì)量濃度為0.01-2.0%。茂金屬的質(zhì)量濃度為0.001-0.2%，硫化合物的濃度對(duì)于上述茂金屬的質(zhì)量比為0.125-4倍的比例。

也有人提供了一種單壁碳納米管的制備方法和用于制備單壁碳納米管的反應(yīng)裝置。反應(yīng)裝置包括生成單壁碳納米管的反應(yīng)腔體,和用于提供碳源的碳源補(bǔ)給室,反應(yīng)腔體分成上下兩室,分別為反應(yīng)室和液碳儲(chǔ)存室；反應(yīng)室包括經(jīng)頂壁引入、且垂直于頂壁設(shè)置的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸在遠(yuǎn)離頂壁的一端固定連接有基底,反應(yīng)腔體的內(nèi)壁設(shè)置有加熱裝置，反應(yīng)腔體開(kāi)設(shè)有通氣口;在基底上沉積含摻雜元素的金屬催化劑前驅(qū)體,在惰性氣氛下,向液碳儲(chǔ)存室中注入液碳,其中,摻雜元素為非金屬元素;轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸,加熱使液碳儲(chǔ)存室中的液碳蒸發(fā)；繼續(xù)加熱至700-1000度,通入還原氣體,反應(yīng)制備得到單壁碳納米管。

在以上浮動(dòng)催化裂解方法中，為保證催化劑在高溫?zé)峤庵行纬沙叽巛^小的顆粒，催化劑在碳源中濃度較低，催化劑與碳源的比例通常為1:50至1:200，且需要載氣將液體碳源以較高的流速帶入高溫區(qū)，催化劑、助劑和液體碳源在高溫區(qū)蒸發(fā)過(guò)程中，由于沸點(diǎn)的不同，三者依次蒸發(fā)，氣相混合不均勻，造成在單壁碳納米管的合成過(guò)程中，催化劑中活性組分在總體中比較低，低濃度的催化劑和大量的載氣導(dǎo)致碳源轉(zhuǎn)化率低，因此單壁碳納米管合成產(chǎn)率低，操作空間小，能耗高，大規(guī)模生產(chǎn)困難，價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于電極噴射生產(chǎn)碳納米管的方法及其反應(yīng)器，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用于生產(chǎn)碳納米管的電極噴射裝置，包括：

存儲(chǔ)容器，具有碳源容納空間，其一端設(shè)有擠壓開(kāi)口，相對(duì)的另一端設(shè)有擠出口，還具有進(jìn)料管道；