[發(fā)明專利]可控火焰且對稱分布的燃燒器及其合成碳納米管的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210018581.6
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114162806B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉遠(yuǎn)超;鐘建斌;劉新昊;李梓碩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京石油化工學(xué)院
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;C01B32/159
• 代理公司: 北京凱特來知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮(zhèn)勇

本發(fā)明公開了一種可控火焰且對稱分布的燃燒器及其合成碳納米管的方法，燃燒器包括內(nèi)側(cè)圓筒和外層圓筒，分成四個(gè)反應(yīng)合成區(qū)、四個(gè)燃燒室、四個(gè)冷卻室，設(shè)有碳納米管取樣區(qū)、燃料噴槍、冷劑管道、碳源管道；向四個(gè)合成反應(yīng)區(qū)通入反應(yīng)物混合氣、惰性氣體和金屬催化劑納米顆粒，提供碳源和催化劑顆粒；通過燃料噴槍噴射在燃燒室的可燃預(yù)混氣體燃燒放熱提供高溫?zé)嵩矗瑫r(shí)生成部分碳納米管；利用中心低溫冷卻區(qū)提供的冷量來調(diào)節(jié)合成反應(yīng)區(qū)內(nèi)的合成反應(yīng)溫度。能夠?qū)崿F(xiàn)可控、連續(xù)、低成本合成碳納米管，可以通過調(diào)節(jié)燃料噴槍的流量和冷卻管道的冷劑種類和流量來協(xié)調(diào)控制反應(yīng)合成區(qū)的溫度，保證碳納米管在最優(yōu)溫度條件下合成，更有利于較完整結(jié)構(gòu)的碳納米管的生成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米材料合成技術(shù)，尤其涉及一種可控火焰且對稱分布的燃燒器及其合成碳納米管的方法。

背景技術(shù)

1991年日本電鏡專家飯島澄男(Sumio?Iijima)利用電子顯微鏡首先發(fā)現(xiàn)了碳納米管的存在。碳納米管屬于一維形式的納米材料，即是由層狀的石墨片卷曲成管狀得到。碳原子之間經(jīng)過的是sp2雜化，每個(gè)碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子相連，相鄰碳原子以σ鍵結(jié)合。這樣就構(gòu)成了六邊形的碳原子環(huán)，環(huán)環(huán)相連，理論上即可連接成規(guī)整的薄層。碳納米管的長徑比非常大，即是一根微觀形態(tài)下極為細(xì)長的管狀物。管子直徑一般以納米尺度衡量，在幾納米至幾十納米上下。

目前合成制備碳納米管的方法主要有電弧放電法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉淀法和火焰法。其中電弧法一般用來合成的產(chǎn)品一般結(jié)晶度較好的單壁碳納米管，但制備所需設(shè)備繁瑣、功耗大，成本偏高，產(chǎn)量卻很低，而且同時(shí)生成的副產(chǎn)物品類多而雜亂，不易提純，不滿足工業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求。激光蒸發(fā)法設(shè)備最為復(fù)雜，產(chǎn)生激化所需能耗大，成本不菲。產(chǎn)量有限，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、大規(guī)模的制備是不現(xiàn)實(shí)也不可行的。化學(xué)氣相沉淀法制造出來的碳納米管純凈度不算理想，而且會(huì)經(jīng)常性的發(fā)生變形和彎曲，管徑粗細(xì)不一，有特別差的石墨化程度。火焰法是一種高溫自蔓延過程，反應(yīng)物既可充當(dāng)燃料提供反應(yīng)能量，又能充當(dāng)物料提供反應(yīng)物，火焰反應(yīng)一次性完成，因此具有工藝和設(shè)備過程簡單、節(jié)約能源、產(chǎn)量高和速度快等特點(diǎn)，進(jìn)而有可能進(jìn)行來工業(yè)化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的火焰合成方法存在著優(yōu)勢，但也存在不足：

其一是熱源溫度可控性差，主要是依賴調(diào)整火焰的燃燒強(qiáng)度(燃氧比)來調(diào)控反應(yīng)溫度，導(dǎo)致產(chǎn)物存在一定的雜質(zhì)，導(dǎo)致碳納米管產(chǎn)生缺陷和表面官能團(tuán)；

二是由于碳納米管的合成條件(主要是溫度和催化劑)可控性不好，使得碳納米管的產(chǎn)量仍有待于提高。

這極大的影響了碳納米管的性能特點(diǎn)，同樣制約了碳納米管的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量碳納米管的可控火焰制備方法，將會(huì)極大的促進(jìn)碳納米管產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供了一種可控火焰且對稱分布的燃燒器及其合成碳納米管的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的可控火焰且對稱分布的燃燒器，所述燃燒器包括內(nèi)側(cè)圓筒和外層圓筒，分成四個(gè)反應(yīng)合成區(qū)5、四個(gè)燃燒室4、四個(gè)冷卻室6，設(shè)有碳納米管取樣區(qū)1、燃料噴槍7、冷劑管道3、碳源管道8；

所述的四個(gè)燃燒室4緊靠外層圓筒壁2且對稱布置，每個(gè)燃燒室4都是橫截面積為“紡錘形”的空心直筒；

所述的四個(gè)冷卻室6是由內(nèi)層圓筒均分而成的四個(gè)四分之一的圓筒；

所述的四個(gè)合成反應(yīng)區(qū)5是由內(nèi)層圓筒與和四個(gè)燃燒室4隔出來的橫截面積為“類三角形”的四個(gè)空心直筒，且每個(gè)反應(yīng)合成區(qū)5均被相鄰的兩個(gè)燃燒室4和一個(gè)冷卻室6包圍；

整個(gè)燃燒器為橫截面積是相互對稱的“花瓣形”的直筒空心結(jié)構(gòu)。