一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115403030A(43)申请公布日2022.11.29(21)申请号202211157848.6(22)申请日2022.09.22(71)申请人江西铜业技术研究院有限公司地址330096江西省南昌市高新区高新大道1129号(72)发明人徐乐乐梁晨常艺陈名海陶宇轩杨劲松袁鑫鑫(74)专利代理机构北京金智普华知识产权代理有限公司11401专利代理师皋吉甫(51)Int.Cl.C01B32/159(2017.01)C01B32/162(2017.01)权利要求书2页说明书10页附图5页(54)发明名称一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法(57)摘要本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种采用流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置及其方法。本发明装置包括：金属催化剂熔炼单元，传输单元，助剂导入单元，等离子体反应合成单元和收集单元。本发明在生长碳管前期对金属催化剂进行熔炼处理，能去除催化剂中的杂质并且得到活性较高的晶体形态或物相的催化剂，同时在等离子体电弧区域经过的是流动的金属催化剂，保证了持续供应新的金属催化剂，能防止催化剂失活，进行长时间稳定制备高产率的单壁碳纳米管，该方法具有重要的商业化生产价值。同时制备的单壁碳纳米管初产物收率为50‑200g/h，纯度70％以上，平均拉曼表征IG/ID为50以上，具有较高的品质。CN115403030ACN115403030A权利要求书1/2页1.一种流动催化剂制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述装置包括：金属催化剂熔炼单元，用于金属催化剂进行加热熔炼，得到熔融体金属催化剂；传输单元，用于将熔融体金属催化剂的以一定的流速持续引入等离子体反应合成单元中；助剂导入单元，用于将助剂通过载气加入到熔融体金属催化剂中；所述等离子体反应合成单元，用于通过电弧使流动的含有助剂的熔融体金属催剂蒸发成为均一纳米颗粒，再与通入的碳源混合气体发生裂解反应，反应合成尺寸均一的单壁碳纳米管；收集单元，用于采用收集合成的单壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属催化剂熔炼单元为熔炼炉；所述传输单元为石墨管道、石墨插板阀、石墨坩埚和回收单元；所述等离子体反应合成单元为直流脉冲等离子体电弧炉；所述收集单元为具有过滤网的收集单元；所述助剂导入单元为送料管；其中，所述石墨管道的一端设置在所述熔炼炉的出料口下方，另一端穿过所述直流脉冲等离子体电弧炉侧壁与石墨坩埚的一端连接，所述石墨坩埚的另一端与废料回收单元连接；所述石墨插板阀设置在位于所述直流脉冲等离子体电弧炉和熔炼炉之间的所述石墨管道上，所述送料管设置在靠近所述直流脉冲等离子体电弧炉的所述石墨管道上；所述直流脉冲等离子体电弧炉的阴极电极棒为中空的双层水冷不锈钢电极枪，在所述中空的双层水冷不锈钢电极枪的末端设有中空的石墨电极棒，中空的管道用于向炉内通入引弧气体和碳源混合气体。3.一种采用如权利要求1‑2任意一项所述的装置制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1)配置金属催化剂颗粒，加入到金属催化剂熔炼单元进行加热熔炼，得到熔融体金属催剂；S2)将S1)得到熔融体金属催剂通过传输单元引入到等离子体反应合成单元中，引入过程中控制金属催化剂熔体流速，并加入一定量的助剂，同时反应区采用阴极电极棒对准流动的熔融体金属催剂产生一定弧长的等离子体电弧，在等离子体电弧作用下使催化剂熔体蒸发成为均一纳米颗粒，随着载气一起进入反应区，再与通入的碳源等混合气体，反应合成单壁碳纳米管；S3)产生的单壁碳纳米管进入收集单元富集，进行回收。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S1)中的金属催化剂颗粒包括过渡金属和其他金属的，二者之间的的质量比为1:0.005‑0.1。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述过渡金属为铁、钴、镍中至少一种，所述其他金属为钨、钽、铼、钼、钇、镧、镝中的至少一种。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2)中助剂为CuFeS2、CaSO4、FeS、MoS2、NaSO4、S或Na2S；且助剂随着载气注入的量为0.001‑0.5g/min。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2)中的熔融体金属催剂的流动速率2CN115403030A权利要求书2/2页为0.001‑0.1m/s。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述熔融体金属催剂进入等离子体反应合成单元的初始温度在1400‑1600℃。9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2)中的所述弧长为阴极电极棒底部与所述熔融体金属催化剂上表面的距离为0.5‑20cm，所述反应区的温度为800‑1800℃。10.一种单壁碳纳米管，其特征在于，所述单壁碳纳米管采用如权利要求3