CN101137574B - 碳纳米管批量生产系统和批量生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了合成碳纳米管的批量生产系统和批量生产方法。将所述系统构建为当在反应室中合成碳纳米管时，反应室完全对外界开放，同时使特定气体占据反应室中的预定区域，从而阻隔外界空气进入与外界空气连通的反应室。所述系统包括反应室，所述反应室具有至少一个连通外界空气的开口和充有不同比重的气体的至少一个不同比重气体占据区域，所述不同比重的气体的比重不同于外界空气的比重，以阻隔外界空气通过开口进入反应室；碳纳米管合成单元，所述碳纳米管合成单元位于不同比重气体占据区域，从而利用通过开口导入其中的催化剂介质来合成碳纳米管；输送单元，所述输送单元通过开口将催化剂输送至所述碳纳米管合成单元；以及气体供应单元，所述气体供应单元分别将不同比重的气体和用于合成碳纳米管的碳源气体供应至不同比重气体占据区域和碳纳米管合成单元。

Description

碳纳米管批量生产系统和批量生产方法
技术领域
本发明涉及一种用来合成碳纳米管的批量生产系统及使用此系统的批量生产方法。更具体地，本发明涉及一种利用气相合成法来合成碳纳米管的批量生产系统及使用此系统的批量生产方法。
背景技术
本发明涉及一种用来合成碳纳米管的批量生产系统及使用此系统的批量生产方法。更具体地，本发明涉及一种利用气相合成法来合成碳纳米管的批量生产系统及使用此系统的批量生产方法。
碳纳米管由卷成圆筒状的石墨片所构成，根据石墨片数量可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管以及多壁碳纳米管。
由于碳纳米管重量轻、电学性能与机械性能优异、化学稳定性高、且表面容易进行反应，故可应用的范围很广，例如电子信息产业、能源工业、高性能复合材料、超细纳米组分等。因此，需要一种合成高纯度碳纳米管并且以低成本批量生产的方法。
目前合成碳纳米管的代表性方法包括电弧放电法、激光沉积法、化学气相沉积法以及气相合成法。对于电弧放电法或激光沉积法，当合成碳纳米管时，会伴随碳纳米管生成非晶形材料，因此需要再进行热或化学精制过程，以得到高纯度的碳纳米管，因而难以实现经济的批量生产。对于化学气相沉积法，虽然可以通过将碳纳米管排列在基材上而形成高纯度的碳纳米管，然而也难以实现其批量生产。
同时，已注意到气相合成法是低成本合成碳纳米管的方法。然而，虽然已研发出各种气相合成法，但是存在这样的问题，即以传统气相合成法合成的碳纳米管含有大量的非晶形碳颗粒，使得难以精制碳纳米管。具体地是，由于气相合成法的产率低且合成的碳纳米管含有大量的非晶形碳颗粒，因此认为其不适于特别是单壁或双壁碳纳米管的批量生产。
另外，采用气相合成法的碳纳米管批量生产系统为批次式系统，其中碳纳米管是通过在每批次中重复一系列的步骤而合成，所述步骤包括将金属催化剂投入至反应室中，加热反应室一段预定的时间，然后冷却反应室。但因其需要在每批次中重复上述各步骤，且对于每批次难以得到相同的的处理条件，使得碳纳米管均一度较差，因此该批量生产系统具有高制造成本与明显较低的生产率的问题。
发明内容
由于碳纳米管重量轻、电学性能与机械性能优异、化学稳定性高、且表面容易进行反应，因此预计应用的范围很广，例如电子信息产业、能源工业、高性能复合材料、超细纳米组分等。因此，需要一种以低成本大量合成高纯度碳纳米管的方法。
为解决上述问题而进行了本发明，本发明的目的是提供利用气相合成法在开放型反应室中合成碳纳米管的批量生产系统及方法。
本发明涉及合成碳纳米管的批量生产系统以及其批量生产方法，所述批量生产系统经构建在反应室中合成碳纳米管时，反应室完全向外界敞开，并防止外界空气因气体重量不同而流入反应室。
根据本发明，可以连续进行以下步骤，即连续将催化剂从外部输入到反应室，同时使反应室内合成的碳纳米管连续排放到外部，由此能够批量生产碳纳米管。
此外，根据本发明，通过控制催化剂输送速度、反应温度、金属催化剂的粒径、碳源气体注入量和氢气注入量，可以大量合成具有不同性质的碳纳米管。
通过连续还原催化剂、合成碳纳米管以及冷却碳纳米管的过程，可批量生产高质量的碳纳米管。
根据本发明的一个方面，通过提出一种用来合成碳纳米管的批量生产系统，可以达成上述以及其它目的，所述系统包含：反应室，所述反应室具有至少一个连通外界空气的开口、和至少一个不同比重气体占据区域，所述不同比重气体占据区域充有比重不同于外界空气的比重的不同比重的气体以阻隔外界空气通过所述开口进入所述反应室；碳纳米管合成单元，所述碳纳米管合成单元位于所述不同比重气体占据区域，从而利用通过所述开口导入其中的催化剂介质来合成碳纳米管；输送单元，所述输送单元通过所述开口将催化剂输送至所述碳纳米管合成单元；以及气体供应单元，所述气体供应单元分别将不同比重的气体和用于合成碳纳米管的碳源气体供应至所述不同比重气体占据区域和碳纳米管合成单元。
优选地是，所述开口包括将催化剂导入至所述反应室的入口，和将通过所述碳纳米管合成单元合成的碳纳米管排出至所述反应室外的出口，所述输送单元通过所述开口、不同比重气体占据区域、碳纳米管合成单元以及出口来输送所述催化剂和/或碳纳米管。
优选地是，所述碳纳米管合成单元包括限定于所述反应室内的反应区域，从而利用填充于所述不同比重气体占据区域中的不同比重的气体来阻隔外界空气；碳源气体注入器，所述碳源气体注入器用于将由所述气体供应单元供应的碳源气体注入到所述反应区域，使得由所述输送单元输送到所述反应区域的催化剂与所述碳源气体反应以合成碳纳米管；以及加热部件，所述加热部件用于加热所述反应区域。
优选地是，所述碳纳米管合成单元的反应区域限定在至少一部分所述不同比重气体占据区域的下部，所述不同比重气体占据区域充有比重小于所述碳源气体的不同比重的气体，所述碳纳米管合成单元还包含在上部开口的碳源气体限制部，从而阻隔注入到反应区域的碳源气体从反应区域漏出。
优选地是，所述不同比重气体占据区域包含第一不同比重气体占据区域，所述第一不同比重气体占据区域充有比重小于所述碳源气体的不同比重的气体；以及第二不同比重气体占据区域，所述第二不同比重气体占据区域充有比重大于所述碳源气体比重的不同比重的气体，所述第一不同比重气体占据区域、反应区域及第二不同比重气体占据区域为沿重力方向依次限定于所述反应室内。
优选地是，所述不同比重的气体包括至少一种比重小于外界空气比重的气体、和比重大于外界空气比重的气体，从而根据所述反应室的开口的位置阻隔外界空气通过所述开口导入所述反应室。
优选地是，占据所述不同比重气体占据区域的至少一种不同比重的气体为氢气。
优选地是，所述反应室具有至少一根形成在其中的排气管，以将氢气排放至反应室外部，从而使占据所述不同比重气体占据区域的氢气的压力与外界空气压力达到平衡状态。
优选地是，所述不同比重气体占据区域包括以穿越重力方向的方向而连通的第一占据区域、在所述入口与第一占据区域间连通的第二占据区域、以及在所述出口与第一占据区域间连通的第三占据区域。所述反应室在其入口与出口处弯曲从而在其中限定出所述第一占据区域、第二占据区域、和第三占据区域。
优选地是，所述入口与出口在重力方向上相对于所述第一占据区域具有位差，以防止充入所述不同比重气体占据区域的不同比重的气体因重力而通过所述入口与出口排出所述反应室外。
优选地是，所述碳纳米管合成单元包含反应区域，所述反应区域限定于所述反应室内，同时利用填充于所述不同比重气体占据区域中的不同比重的气体来阻隔外界空气；碳源气体注入器，所述碳源气体注入器用于将由所述气体供应单元供应的碳源气体注入到所述反应区域，使得由所述输送单元输入到所述反应区域的催化剂与所述碳源气体反应，由此合成碳纳米管；以及加热部件，所述加热部件用于加热所述反应区域。
优选地是，所述不同比重的气体包括比重小于外界空气比重的气体，且所述入口和出口的位置沿重力方向低于所述第一占据区域，以防止不同比重的气体因重力而通过所述入口或出口排出所述反应室外。
优选地是，所述不同比重的气体为比重小于外界空气比重的氢气。
优选地是，所述不同比重的气体包括比重大于外界空气比重的气体，且所述入口与出口的位置沿重力方向高于所述第一占据区域，以防止所述不同比重的气体因重力而通过所述入口和出口排出所述反应室外。
优选地是，所述碳源气体注入器包括对应于所述反应区域的尺寸而分散排列的多个喷嘴，从而将所述碳源气体均匀地注入至所述反应区域。
优选地是，所述批量生产系统进一步包括加热部件，所述加热部件加热所述反应室内的至少一个区域，从而还原通过所述开口导入到所述反应室中的催化剂。
优选地是，所述碳纳米管合成单元包括向上开口的碳源限制部，以阻隔注入到所述反应区域的碳源气体从所述反应区域漏出。
优选地是，批量生产系统进一步包括冷却单元，从而冷却所述反应室靠近出口的一个区域，使得通过所述冷却单元来冷却碳纳米管。
根据本发明的另一个方面，提出一种合成碳纳米管的批量生产方法，所述方法包括下列步骤：准备反应室，所述反应室具有限定于其中的不同比重气体占据区域、和至少一个连通外界空气的开口；将至少一种不同比重的气体充入所述不同比重气体占据区域，所述不同比重的气体具有不同于外界空气的比重以防止外界空气通过所述开口进入所述不同比重气体占据区域；将碳源气体供应给所述不同比重气体占据区域，以形成利用不同比重的气体来阻隔外界空气的反应区域；通过所述开口将催化剂供应至所述反应室的反应区域；通过使所述催化剂与形成所述反应区域的碳源气体反应而合成碳纳米管；以及通过所述开口将合成的碳纳米管排出至所述反应室的外部。
优选地是，所述不同比重气体占据区域包括以穿越重力方向的方向而连通的第一占据区域、在所述入口与第一占据区域间连通的第二占据区域、以及在所述出口与第一占据区域间连通的第三占据区域。所述反应室在其入口与出口处弯曲从而在其中限定出所述第一占据区域、第二占据区域、和第三占据区域。
优选地是，所述入口与出口在重力方向上相对于所述第一占据区域具有位差，以防止充入所述不同比重气体占据区域的不同比重气体因重力而通过所述入口与出口排出所述反应室外。
优选地是，充入所述不同比重气体占据区域内的不同比重气体包括氢气，并且所述方法进一步包括：加热所述第二占据区域；以及在所述第二占据区域中通过使氢气与所述催化剂反应而还原所述催化剂。
优选地是，所述反应室进一步包括形成在其入口与出口中的至少一个的附近的排气管，从而与外界连通，所述方法进一步包括：通过所述排气管排出氢气，从而使占据所述不同比重气体占据区域的氢气的压力与外界空气的压力达到平衡状态。
本发明可应用于采用气相合成法合成碳纳米管的批量生产系统。特别是，本发明可应用于采用含有开放型反应室的合成碳纳米管的批量生产系统合成碳纳米管的批量生产方法。
附图说明
由以下结合附图的详细说明，本发明的上述与其它目的、特征和优点将更加明显易懂，其中：
图1为根据本发明第一实施方式的采用气相合成法来合成碳纳米管的批量生产系统示意图；
图2为根据本发明第一实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的反应室内气体占据状态的截面示意图；
图3为根据本发明第二实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；
图4为根据本发明第三实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；
图5为根据本发明第四实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；
图6为根据本发明第五实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；
图7为根据本发明第六实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；
图8为根据本发明第七实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图；以及
图9为根据本发明第八实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。
图1为根据本发明第一实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。参照图1，第一实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统包括其中限定有预定空间的拱形反应室1、用于还原金属催化剂的金属催化剂还原单元100、使用还原金属催化剂来合成碳纳米管的碳纳米管合成单元200、用于冷却合成的碳纳米管的冷却单元300、用于将碳源气体和大气等供应给反应室的气体供应单元50、以及用于将金属催化剂输送至反应室的输送单元。
反应室1具有开放结构，其中入口2与出口3与外部连通，而沉降部5则形成其中央从而限定了一空间。沉降部5用于收集与存放碳源气体，且可视为碳源气体限制部。入口与出口分别可作为连通外部的开口。
气体供应单元50包括碳源气体槽60(如乙烯气体槽)、氩气或氮气槽70(如惰性气体槽)和氢气槽80，所述气体槽各自经由气体供应管而将气体供应至反应室。每个槽均包括净化器。净化器分别纯化碳气体混合物、惰性气体混合物及氢气混合物，以提供高纯度的碳源气体、惰性气体及氢气。碳源气体的例子包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁烷、丁烯、丁二烯、己烷、庚烷、甲苯、苯、二甲苯、汽油、丙烷、液态丙烷气(LPG)、液态天然气(LNG)、石油脑、一氧化碳、及醇基气体。
金属催化剂还原单元100用来还原引入反应室1的金属氧化物催化剂、或还原来自含金属氧化物催化剂的催化剂担载材料的金属氧化物催化剂。金属催化剂还原单元100包括与反应室1相连的供应氢气的第一气体喷嘴112，以及安装在反应室1外的用以还原船形容器10中的金属氧化物催化剂的第一加热部件110。第一加热部件110为热产生机构，用以加热反应室内部，且设有温度传感器(未示出)，以维持反应室内部温度为600℃至1200℃。
碳纳米管合成单元200通过使输入反应室的金属氧化物催化剂与碳源气体反应而合成碳纳米管。碳纳米管合成单元200包括进行碳纳米管的合成的反应区域；具有均匀注入碳源气体的多个喷嘴的喷洒头212；以及安装在反应室1外的第二加热部件210。由于多个喷嘴排列在喷洒头212上，使得碳源气体可均匀注入到反应室1的预定区域，在反应室1内的整个反应区域中均匀地进行碳纳米管的合成。第二加热部件210为另一热产生机构，用以加热反应室内部，且设有温度传感器(未示出)，以维持反应室内部温度为600℃至1200℃。
冷却单元300包括安装于反应室1中的冷却部件310，用以冷却反应室内部。反应室1与第三气体喷嘴312连接以注入惰性气体，例如氩气、氮气或氢气。冷却单元300可包括包围反应室1的水冷却套。通过第三气体喷嘴312供应的氢气不仅在反应室1内部形成氢气环境，还清洗了合成的碳纳米管。
反应室1形成有位于反应室1的入口2附近的第一气体排气管130，以排出反应后残留在反应室的气体，以及位于反应室1的出口3附近的第二气体排气管330，以排出反应后残留在反应室的气体。此结构通过使反应室中的氢气压力与外界空气压力达到平衡从而适于可靠地防止外界空气经由入口与出口渗入反应室内。即，当氢气由气体注入管注入到反应室时，会提高反应室中的氢气压力；当氢气压力增至大于外界空气压力时，则将氢气排出反应室外。鉴于通过反应室的入口与出口排放氢气具有危险性，因此反应室中形成独立的气体排出管以由其将氢气排出至外部。
输送单元用来将其中含有金属催化剂的容器(如船状容器10)输送到反应室，并可以是传送带等。输送单元可通过控制马达等而控制输送金属催化剂的速度，使得可以控制金属氧化物催化剂的还原时间及碳纳米管的合成时间。船状容器10为含金属催化剂的容器的实例之一，且可由各种材料构成，例如金属、石英或石墨。船状容器10形成有贯穿底面的孔洞。在还原金属氧化物催化剂和合成碳纳米管的过程中，船状容器的孔洞通过增加气体与金属催化剂的接触而促进金属氧化物催化剂的还原和碳纳米管的合成。此外，船状容器的孔洞有助于排放反应生成物。
在上述的根据第一实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统中，金属催化剂还原单元100、碳纳米管合成单元200及冷却单元300为依次设置，从而允许进行连续的处理。
在上述的根据第一实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统中，容纳金属氧化物催化剂的船状容器10利用输送单元从外部传送至反应室，并经过金属催化剂还原单元100、碳纳米管合成单元200和冷却单元300，然后经由出口3输出反应室外。当船状容器10由出口3排出至外部后，从船状容器10取出合成的碳纳米管。在由船状容器10中取出碳纳米管后，接收有新的金属催化剂的船状容器10由入口2输送入反应室。如此，将输送单元配置成穿越反应室在入口与出口间循环。尽管在附图中并未绘出输送单元的循环结构，但对于本领域技术人员而言是显而易见的，因此在此省略了其详细描述。本发明的批量生产系统可以通过重复该连续过程而大量合成碳纳米管。
虽然图1中的加热部件邻接冷却部件，但加热部件也可放置远离冷却部件，以防止彼此功能相互干扰；或者，可在其间布置热传递防护部件，以避免功能相互干扰。由于这些结构对于本领域技术人员而言是显而易见的，故于此不再赘述。
图2显示碳源气体和氢气在本发明第一实施方式的批量生产系统的反应室中的占据状态。如图2所示，反应室1充有碳源气体和氢气。如上所述，由于可以防止外界空气渗入反应室1，因此反应室的内部可与外界空气隔离。
如图1和图2所示，碳源气体是通过连接气体供应单元的喷洒头212而均匀注入反应室1，氢气则是通过气体喷嘴112、312注入其中。在将已还原的金属催化剂供应给反应室的情况中，氦气、氖气、氩气、氙气、或氮气可取代氢气而用作反应室中的环境气体。
当假设反应室1内的温度为约900℃，反应室1外的温度为约20℃时，各气体的重量可如下计算。由于1摩尔氢气(22.4升)在标准状态下(0℃＝274K、1大气压)重量为2克，且根据查理定律(Charle’s law)，氢气在温度约为900℃(1174K)的反应室中体积会变大四倍，因此其中的1摩尔氢气(22.4升)约重0.5克。另外，由于1摩尔空气(22.4升)在标准状态下重28.9克，因此1摩尔空气(22.4升)在室温下(20℃)约重27克。
因此，由于反应室入口与出口处(即外界空气与氢气接触处)的外界空气比重比氢气比重大约54倍，由于比重的差异，空气总是位在氢气下方。由于反应室内部充满氢气，且反应室入口与出口处的氢气与外界空气达到平衡状态，因此可防止外界空气渗入反应室。因反应室内的氢气占据区域为充满比重不同于外界空气比重的气体，因此可视为不同比重气体占据区域。该氢气占据区域可防止外界空气进入反应室。在此，当将反应室入口处的氢气占据区域视为入口侧占据区域，反应室出口处的氢气占据区域视为出口侧占据区域，且反应室入口与出口间的氢气占据区域视为中间占据区域时，入口与出口的位置沿重力方向低于中间占据区域，以防止外界空气经由入口与出口进入反应室。中间占据区域为以穿越重力方向的方向形成。入口侧占据区域位于反应室入口与中间占据区域之间，出口侧占据区域位于反应室出口与中间占据区域之间。
反应室的沉降部5具有通过使部分反应室降低而比沉降部5周围部分深来形成的纵深空间。因此，由于通过喷洒头直接从沉降部5上方注入的碳源气体比重大于其周围的氢气比重，因此碳源气体会下沉，并集中到沉降部5。因沉降部5中收集的碳源气体比氢气重，故其不会上升而离开沉降部5。沉降部中的碳源气体占据区域被反应室中的氢气占据区域包围。碳源气体占据区域变为氢气与金属催化剂反应、合成碳纳米管的反应区域，并且通过氢气将反应区域与反应室外的外界空气隔开。
部分引进反应室的氢气通过反应室入口2与出口3附近的排气管130、330排出反应室外。此结构的目的是通过维持氢气与外界空气压力间的平衡，以确保外界空气不会渗入反应室。当氢气通过排气管排放时会产生朝向排气管的氢气流。因排气管130、330位于反应室入口2与出口3附近，故氢气会持续供应到反应室入口与出口，因而可维持氢气压力达到外界空气不会渗入反应室的程度。
采用根据第一实施方式的合成碳纳米管系统来合成碳纳米管的方法说明如下。
反应室1的金属催化剂还原单元100以及碳纳米管合成单元200通过第一加热部件110与第二加热部件210来加热至所需温度，例如600℃至1200℃(步骤1)。
接着，利用气体供应单元50将惰性气体(例如氩气或氮气)供应至反应室(步骤2)。当将较大比重的惰性气体供应至反应室时，较小比重的空气或其它气体会被惰性气体推出和/或扫出反应室入口与出口。由此可除去反应室1内的杂质气体，而在反应室内部形成惰性气体环境。虽然如上所述可在加热反应室内部之后用惰性气体填充反应室内部，然而也可在加热反应室内部之前用惰性气体填充反应室内部。
其次，利用气体供应单元50将氢气供应至反应室1的惰性气体环境中(步骤3)。由于氢气比充入反应室的氩气轻，因此氢气可从反应室上部充入反应室。
然后，利用输送单元将尺寸为1纳米～50纳米的金属氧化物催化剂或容纳含金属氧化物催化剂的催化剂担载材料的船形容器10从外部经由入口2输送到反应室内(步骤4)。催化剂担载材料可为粉末状，且可包含氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、沸石、二氧化硅等。作为使金属氧化物催化剂担载至催化剂担载材料的纳米尺寸的孔中的方法，可以使用溶胶-凝胶法、沉淀法或浸渍法。
输送到反应室的金属氧化物催化剂利用金属催化剂还原单元100还原成不含氧的纯金属催化剂(步骤5)。例如，若金属氧化物催化剂为氧化铁，则氧化铁与氢气反应，并转变成纯铁与水。该金属氧化物催化剂可包括钴、镍、钼或其合金以及铁。
经过金属催化剂还原单元100后，将船形容器10输送到碳纳米管合成单元200。金属催化剂在碳纳米管合成单元200的反应区域中与碳源气体反应，从而合成出碳纳米管(步骤6)。
碳纳米管的合成在氢气环境中进行，其中氢气除去了形成在金属催化颗粒表面的金属氧化物，并抑制过多的碳元素供应至金属催化剂表面。此外，氢气还除去了吸附在金属催化颗粒表面的非晶形碳材料，且抑制非晶形碳簇或碳粉末附着到反应室中生成的碳纳米管的外表面。当然，通过控制合成碳纳米管时的碳源气体流量与反应区域温度，可调整碳纳米管的生长速度、尺寸以及结晶度。
特别是当金属催化剂颗粒本来固着于粉末状催化剂担载材料的纳米尺寸的孔上时，金属催化颗粒即使在合成碳纳米管所需的高温下，也能被抑制不动，因此可合成出尺寸非常均匀的碳纳米管。另外，当使用尺寸为数纳米且本来固着于粉末状基质的纳米尺寸的孔上的金属催化剂颗粒来合成碳纳米管时，由于并不会形成非晶形碳簇，因此可以合成出高纯度的碳纳米管。
将其中具有合成的碳纳米管的船形容器10输送到冷却单元300，并由冷却部件310强制冷却(步骤7)。所合成的高纯度碳纳米管在通过冷却单元300的同时冷却到室温，且在氢气环境中反复清洗。
最后，合成的碳纳米管经由出口3排出反应室外(步骤8)。在从输送至反应室外的船形容器10中取出合成碳纳米管后，将其中接收有新金属催化剂的船形容器10经由入口2传送入反应室，从而进行碳纳米管的连续合成。采用此连续过程可大量制造碳纳米管。冷却合成的碳纳米管的步骤可在碳纳米管排出反应室以后于外部独立进行。在此情况下，反应室不包括冷却部件。
为了利用此连续过程合成碳纳米管，必须完全避免空气渗入反应室。若氧气经由空气渗透而导入反应室，则氧气将立刻与碳源气体反应而无法合成碳纳米管，并且氧气可能会与氢气反应而引起爆炸。因此反应室中必须不含有氧气。
为了在反应室内部形成无氧环境，使用气相合成法的碳纳米管的传统批次型批量生产系统采用批次型结构，其反应室内部完全与外部隔绝且充满惰性气体。
然而，采用上述结构需重复加热反应室来合成碳纳米管、以及在每一次合成碳纳米管时冷却反应室的步骤。因此传统批次型批量生产系统除了合成碳纳米管的时间之外，在合成碳纳米管前还需要极长的准备时间，因此限制了生产率的提高。
反之，根据本发明，由于反应室与外界连通，故反应室内部可保持在能够合成碳纳米管时的温度，因而不需反复冷却与加热反应室内部。因此，采用本发明的用于合成碳纳米管的批量生产系统，一旦系统开始运行，即可连续合成碳纳米管而无需停止。由于下文中描述的结构可以实现碳纳米管的连续合成。由于反应室与外界连通，故金属催化剂可持续供应至反应室。另外，由于即使当将金属催化剂持续提供至反应室时，也可以在碳纳米管合成单元200中持续合成碳纳米管，因而可以大量合成碳纳米管。为此目的，反应室必须为开放结构，其中入口与出口为开放状态，同时可避免外界空气经由入口与出口渗入反应室。通过使不同比重的气体占据反应室特定区域，可防止外界空气渗入反应室。由比重不同于反应区域内其它气体的气体所占据的区域可视为不同比重占据区域。
此外，由于位于反应室内的不同比重气体的压力相对于反应室入口与出口处的外界空气压力处于平衡状态，因此可防止外界空气渗入反应室。
图3为根据本发明第二实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如图3所示，第二实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统具有V型结构，其中入口2与出口3为朝上开启，碳纳米管合成单元200则形成于反应室中央低处的沉降部5中。在第二实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统中，使用分子量为39.948的氩气作为反应室的环境气体，而使用分子量大于氩气的甲苯(分子量为92.1)则作为碳源气体。
如同本发明第一实施方式，第二实施方式的批量生产系统包括金属催化剂还原单元100、气体供应单元、碳纳米管合成单元200以及冷却单元300。然而，为了避免其重复描述，附图中并未示出某些部件，并且在以下说明书中省略了其详细说明。
以下将描述第二实施方式的批量生产系统不同于第一实施方式的结构部份。
在第二实施方式的批量生产系统中，反应室具有开放结构，其中入口2与出口3为朝上开启，在入口2附近形成先倾斜向上再向下延伸的A型部150。金属催化剂还原单元100形成于A型部150中。
氢气通过气体供应管提供至A型部150。由于氢气的比重小于外界空气或反应室内氩气的比重，因此氢气可从其上部充入A型部150中。因此，可以注入氢气使得A型部150的中央区域完全充满氢气。在此情况下，由于反应室入口2处的空气比重大于充入A型部150内的氢气比重，故空气总是位在氢气下方，而不会引进反应室。金属催化剂还原单元100形成于A型部150中，用以还原金属氧化物催化剂。由于氢气的量会因反应室中金属氧化物催化剂的还原而减少，因此需将氢气供应给反应室。A型部150设置有排出管，部分供应至反应室的氢气可经此排出管排至外部。
与A型部150连接的反应室1的内部区域充有氩气。由于氩气的比重大于外界空气或氢气的比重，因此氩气可从反应室下部充入反应室。在此，若氩气注入量超过预定限度，则氩气会将氢气推挤出A型部150而充入A型部150。故需调整氩气注入量，以使其量不会超过对应A型部150的还原区域的倾斜部分。
此时，因外界空气比重小于氩气比重，故位于氩气上方，即使外界空气在反应室出口3处接触到氩气，也不会渗入反应室。
在碳纳米管合成单元200中，使用比重大于氩气比重的甲苯作为碳源气体来合成碳纳米管。在根据第二实施方式的批量生产系统中，反应室形成有沿重力方向降低的沉降部5。有鉴于此，为使碳源气体下沉并有效收集到沉降部5，可使用比重大于环境气体比重的气体作为碳源气体。如此，随着收集在反应室沉降部5中的甲苯气体与金属催化剂反应，可以有效地合成碳纳米管。反应室的沉降部5用来限制碳源气体。
应当注意的是，供应至反应区域的环境气体不限于氩气，也可包括其它比重大于外界空气比重的惰性气体。另外，碳源气体不限于甲苯气体，也可包括其它比重大于环境气体比重的气体。
此实施方式的批量生产系统包括A型部150，以在反应室1中进行催化剂的还原。然而，当反应室供应有已经还原的催化剂时，不需在反应室中还原催化剂，因而无需形成A型部。
图4为根据本发明第三实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如第4图所示，第三实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统类似于第二实施方式的批量生产系统，除了反应室结构不同，其中通过修改用来限制碳源气体的沉降部而在反应室上部形成碳源气体限制部250。
如同第一实施方式，第三实施方式的批量生产系统包括气体供应单元、碳纳米管合成单元200以及冷却单元300，但不包括金属催化剂还原单元。由于第三实施方式的批量生产系统使用已还原的金属催化剂，因此可省略金属催化剂还原单元。
根据第三实施方式的批量生产系统设计用于碳源气体比重小于供应至反应室的反应区域中的环境气体比重的情况。在此实施方式中，将氩气用作反应室的环境气体，将比重小于氩气比重的乙烯等用作碳源气体。然而其它具有如上所述的比重差异的气体也可分别用于环境气体和碳源气体。碳源气体限制部250的周边由壁面阻隔，其上部由反应室顶面阻隔，因此仅向下开启。第三实施方式的批量生产系统包括具有朝上配置的喷嘴的喷洒头，以向上喷射碳源气体。结果，比重较小的碳源气体会上升并集中到碳源气体限制部250。
因此，碳源气体限制部250收集的碳源气体与供应至碳源气体限制部250的金属催化剂反应，从而合成碳纳米管。
图5为根据本发明第四实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如图5所示，第四实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统类似于第一实施方式的批量生产系统，不同之处在于形成于反应室两侧的U型部400，以及与U型部400连接并向上开启的入口2与出口3。
如同第一实施方式，第四实施方式的批量生产系统包括金属催化剂还原单元100、气体供应单元(未示出)、碳纳米管合成单元200以及冷却单元300，未绘于图中的部分是为了清楚描述此系统。
为阻隔外界空气，采用反应室的各U型部400以使比重大于外界空气比重的氩气留在各U型部400内。反应室的U型部400与注入管连接，氩气经由所述注入管进入其中。反应室在入口2处的U型部400后面还包括金属催化剂还原单元100及碳纳米管合成单元200。同时，反应室的金属催化剂还原单元100及碳纳米管合成单元200中充有氢气，而出口3处的U型部400充有氩气。因此，外界空气在反应室入口2与出口3处与氩气接触。因外界空气比重小于氩气比重，故外界空气位于氩气上方，因此无法渗入反应室。
须注意的是，作为注入U型部400的气体，不仅可以使用氩气，而且可以使用其它比重大于外界空气比重的惰性气体。另外，注入各U型部400的气体不一定要相同，也可分别注入不同的气体。
在反应室的碳纳米管合成单元200中，比重大于氢气比重的乙烯等(作为碳源气体)经由喷洒头注入且集中至向下压低的沉降部5，在通过沉降部5的同时与金属催化剂反应，由此合成碳纳米管。
对上述实施方式的批量生产系统而言，若碳纳米管合成单元或反应区域的长度增加，则输送容纳催化剂的部件同时使催化剂与其中的气体反应的距离也随之增长，由此可提高输送容纳催化剂的部件的速度。换言之，当确定了反应时间和合成反应室内部温度时，若碳纳米管合成单元的长度较长，则可加快金属催化剂输入反应室的速度，因而可提高生产率。
在上述实施方式的批量生产系统中，虽然上述加热部件是安装在反应室外部，但本发明并不局限于此种结构。作为另外一种选择，加热部件可以与金属催化剂还原单元与碳纳米管合成单元一体形成。这样，本发明包含上述所有情况。
不同比重气体占据区域是指反应室中被气体持续占据的预定空间，且该气体的比重不同于周围气体(如外界空气)的比重。
其中具有多个弯曲部的本发明的批量生产系统从反应室的入口2至出口3之间可包含一个以上的不同比重气体占据区域。
若在反应室中形成两个以上不同比重气体占据区域，则这些不同比重气体占据区域可各自充入不同气体。
输送容纳催化剂的部件的机构不仅可采用具传送带的自动输送机构，也可采用手动输送机构。
由于形成在反应室中的沉降部5或碳源气体限制部250用于将碳源气体集中到特定位置，因此使用沉降部5或碳源气体限制部250可增加碳纳米管的合成效率。
图6为根据本发明第五实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。参照图6，第五实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统包括其中限定有预定空间的反应室1a。反应室1a包括形成于其一侧的入口2a与出口3a。反应室入口2a和出口3a均具有连通大气的开放型结构。该系统进一步包括输送单元15a，所述输送单元15a将桶状容器10a(即含金属催化剂的含有催化剂的部件)从入口2a经由反应室1a内部运送至出口3a。
反应室1a具有直立结构。反应室1a包括位于一侧且向下开启的入口2a、从反应室入口2a向上延伸的金属催化剂还原单元100a、连接金属催化剂还原单元100a且由其向下延伸的碳纳米管合成单元200a、连接碳纳米管合成单元200a且位于反应室1a下部的冷却单元300a、以及连接冷却单元300a且向上开启的出口3a。金属催化剂还原单元100a、碳纳米管合成单元200a和/或冷却单元300a与气体供应单元50a相连接，将碳源气体、氢气、氩气(或氮气等其他惰性气体)等供应至反应室。反应室具有入口2a、金属催化剂还原单元100a、碳纳米管合成单元200a、冷却单元300a以及出口3a依次相互连结的结构。
金属催化剂还原单元100a用于通过还原金属氧化物催化剂而除去导入反应室1a的金属氧化物催化剂的氧。金属催化剂还原单元100a包括其中限定有空间的上反应室110a、以及设置于上反应室110a的第一加热部件150a。金属催化剂还原单元100a设置有位于反应室入口2上方一侧的氢气排出管120a，以使氢气排出管120a暴露于外界空气。上反应室110a上端封闭以限制反应室内上升的气体。第一加热部件150a为热产生机构，用以加热反应室内部，且设有温度传感器(未示出)，以维持反应室内部温度为600℃至1200℃。金属催化剂还原单元100a的上反应室110a充有供给反应室的氢气。将由反应室内的多种气体中比重最小的氢气所占据的上反应室110a的区域视为氢气占据区域。金属氧化物催化剂是以含金属氧化物催化剂的催化载体的形式供应。
在碳纳米管合成单元200a中，金属催化剂与碳源气体反应，合成碳纳米管。碳纳米管合成单元200a包括具有让较小比重的气体上升的直立空间的中央反应室210a，以及安装至中央反应室210a的第二加热部件250a。因中央反应室210a设置有使金属催化剂与碳源气体反应并由此合成碳纳米管的反应区域，故中央反应室210a具有足够的长度以使金属催化剂以充分地时间通过，且其内径大于上反应室110a或如下所述的下反应室310a，以确保其中存在足够量的碳源气体。第二加热部件250a也为热产生机构，用以加热反应室内部，且设有另一温度传感器(未示出)，以维持反应室内部温度为600℃至1200℃。构成碳纳米管合成单元200a的中央反应室210a充有碳源气体，例如比重大于氢气比重的乙烯气体。将由反应室内的多种气体中比重大于氢气的乙烯气体所占据的中央反应室210a的占据区域视为乙烯气体占据区域。中央反应室210a已被描述为示例性结构，其中可根据不同的气体比重而使气体上升或下降。因此，应当注意的是，中央反应室210a不限于图6所示的斜坡结构，也可包括其中形成有适当斜度的任意结构，只要此结构可依气体比重的不同而使气体上升或下降即可。
冷却单元300a用来冷却合成的碳纳米管。冷却单元300a包括与碳纳米管合成单元200a连接的下反应室310a，且具有封闭的底面以留住气体(例如比碳源气体重的氩气)、以及设置于下反应室310a的冷却部件350a。构成冷却单元300a的下反应室310a充满氩气，氩气为比重大于乙烯气体的惰性气体之一；将由氩气所占据的下反应室310a的占据区域视为氩气占据区域。如上所述，由于沿重力方向在反应室内上反应室的氢气占据区域和下反应室310a的氩气占据区域充入比重不同的气体，因此将这两个区域视为不同比重气体占据部。
在此实施方式中，冷却部件350a是由水冷却套构成。但应当注意的是，各种冷却部件350a均可使用，只要它能够发挥冷却功能即可。下反应室310a形成在具U型排出管20a的内侧底部，所述U型排出管20a是用来排放包括水的副产物。由于U型排出管20a的U型弯曲结构内含有积水，故气体不会从下反应室310a漏出。冷却单元300a可降低氩气温度，如此可避免氩气比重因热膨胀而变小。
气体供应单元50a包括碳源气体槽、氩气或氮气槽和氢气槽，其经由具有开/关阀的气体供应管各自连接至反应室。每个槽均包括净化器。净化器分别纯化碳源气体的混合物及氢气的混合物，以提供高纯度的碳源气体及氢气。碳源气体的例子包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁烷、丁烯、丁二烯、己烷、庚烷、甲苯、苯、二甲苯、汽油、丙烷、液态丙烷气(LPG)、液态天然气(LNG)、石油脑、一氧化碳以及醇基气体。惰性气体存放在下反应室310a中。本发明可以使用任意一种比碳源气体重的惰性气体，而不限于氩气或氮气。在通过与冷却单元300a连接的气体供应单元50a的注入管供应到反应室的气体中，碳源气体向上移动，并位于碳纳米管合成单元200a中，氢气则向上移动，流过碳纳米管合成单元200a，然后位于金属催化剂还原单元100a中。在此，由于氢气在上升流经碳纳米管合成单元200a的过程中，会碰撞充入碳纳米管合成单元200a内的碳源气体并促使其移动，移动中的碳源气体将积极接触金属催化剂，从而能够更积极地合成碳纳米管。
输送单元15a用于将容纳催化剂的部件从反应室的入口2a运送至出口3a，并配置成在反应室内循环。输送单元15a可通过控制马达等而控制容纳催化剂的部件的输送速度，使得可以自由控制金属氧化物催化剂的还原时间及碳纳米管的合成时间。此实施方式的容纳催化剂的部件为桶状容器，用以向反应室提供通过气相合成法合成碳纳米管所需的金属催化剂。桶状容器在上端与输送系统铰链连接。因此，桶状容器在任一位置可通过铰链连接而维持直立状态，使得容纳催化剂的部件内所容纳的金属催化剂不会从容纳催化剂的部件中倾倒出来。容纳催化剂的部件并不限于桶状容器，也可以以适合输送金属催化剂各种形式实现。容纳催化剂的部件可由各种材料构成，例如金属、石英、石墨等。容纳催化剂的部件可具有形成在其底面的孔，从而使金属催化剂与碳源气体进行活性反应。
在各图中，在上下方向上以虚线分隔的各区域示意性地表示由不同气体所占据的区域。
虽然已经描述了此实施方式的批量生产系统是采用桶状容器作为含有金属催化剂的容纳催化剂的部件，但本发明不限于此结构。例如，本发明的批量生产系统可使用各种部件，如可盛放金属催化剂的船形容器或托盘。在该情况中，可依据容纳催化剂的部件的类型选择适当的输送系统。这对本领域技术人员而言是显而易见的，故于此不再赘述。
以下对根据第五实施方式的采用合成碳纳米管的系统来合成碳纳米管的方法进行描述。
反应室1a的金属催化剂还原单元100a及碳纳米管合成单元200a利用第一加热部件110a与第二加热部件210a加热至所需温度，如600℃至1200℃(步骤1)。
接着，通过与上反应室110a连接的惰性气体注入管将惰性气体(例如氩气或氮气)供应至反应室(步骤2)。特别是如果氩气通过与上反应室110a连接的气体注入管供应至反应室，则当比重大于外界空气的氩气在移向上反应室110a的左侧或右侧时，会使存在于反应室内部的空气经由入口2a与出口3a排出反应室外。由此，空气或氧气完全排出反应室1a，使得在反应室1a内形成惰性气体环境。
其次，利用气体供应单元50a将氢气及碳源气体供应至反应室1a中(步骤3)。
然后，将金属氧化物催化剂或容纳包含金属氧化物催化剂的催化剂担载材料的桶状容器10a从外部经由入口2a输送到反应室内(步骤4)。桶状容器10a利用输送单元15a进行输送。
催化剂担载材料可为粉末状，且可包含氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、沸石或二氧化硅等。作为用于将金属氧化物催化剂担载至催化剂担载材料的纳米尺寸的孔中的方法，可以使用溶胶-凝胶法、沉淀法或浸渍法。
输送到反应室的桶状容器10a中的金属氧化物催化剂利用金属催化剂还原单元100a还原成金属催化剂(步骤5)。例如，若金属氧化物催化剂为氧化铁，则氧化铁与氢气反应，并转变成纯铁与水。该金属氧化物催化剂包括钴、镍、钼或其合金以及铁。
经过金属催化剂还原单元100a后，将桶状容器10a的金属催化剂输送到碳纳米管合成单元200a。金属催化剂在碳纳米管合成单元200a中与碳源气体反应，合成出碳纳米管(步骤6)。
当然在合成碳纳米管时，可通过控制碳源气体的注入量及碳纳米管合成单元200a的温度，来调整碳纳米管的生长速度、尺寸及结晶度。
特别是当金属催化颗粒本来固着于粉末状催化剂担载材料的纳米尺寸的孔上时，金属催化颗粒即使在合成碳纳米管所需的高温下，也能被抑制不动，因此可合成出尺寸非常均匀的碳纳米管。另外，由于使用尺寸为数纳米且本来固着于粉末状基质的纳米尺寸的孔上的金属催化剂颗粒来合成碳纳米管，因此合成的碳纳米管具有高纯度且不会在其中形成非晶形碳簇。
将承载合成的碳纳米管的桶状容器10a输送到冷却单元300a，并由冷却部件350a强制冷却至室温(步骤7)。或者不进行此冷却步骤，将碳纳米管排出反应室外，然后在外部冷却。
冷却后，合成的碳纳米管经由出口3a排出反应室外(步骤8)。在从桶状容器10a中取出碳纳米管后，将其中接收有新金属催化剂的桶状容器10a经由入口2a输送至反应室中。以此方式，由于在桶状容器10a进出反应室的同时，通过桶状容器新承载的金属催化剂与碳源气体的反应而连续反复进行碳纳米管的合成，因而可大量制造合成的碳纳米管。从桶状容器中取出合成的碳纳米管然后向其中添加新金属催化剂的操作可以采用本领域中已知的通常的自动化设备进行。
同样，由于根据所述优选实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统包括依次配置的金属催化剂还原单元100a、碳纳米管合成单元200a及冷却单元300a，且具有连通外界空气的开放结构，因此可用于连续合成碳纳米管。换言之，本发明通过连续过程来完成碳纳米管的合成，其使得可以连续输入金属催化剂至反应室，并可连续将合成的碳纳米管从反应室排放至外部。
由于通过气体注入管供应至反应室的碳源气体、氢气和氩气具有不同的比重，因此将比重最小的氢气充入金属催化剂还原单元100a的上反应室110a，将比重大于氢气的乙烯气体充入碳纳米管合成单元200a的中央反应室210a，将比重最大的氩气充入反应室最底部的下反应室310a。在该过程中，由于气体供应单元50a的某些气体注入管与中央反应室210a的下部连接，因此在供应至反应室的气体中，乙烯气体和氢气会上升，而氩气会下沉。即，氢气在经过中央反应室210a后会上升至上反应室110a，乙烯气体则会上升至中央反应室210a，并使原本位于中央反应室210a中的气体流动。由于该流动，作为碳源气体的乙烯气体会积极地接触金属催化剂，使得可以有效地合成碳纳米管。尤其是由于乙烯气体比重大于氢气且小于氩气，所以乙烯气体会留在中央反应室210a中。此外，当中央反应室210a的上、下端具有瓶颈形状时，中央反应室210a更易于收集和保留乙烯气体。
将具有高温的氢气收集到入口2a上方的金属催化剂还原单元100a。由于高温氢气的比重小于外界空气的比重，因此空气总是位于氢气下方，这可以避免外界空气渗入反应室1a。特别是，假设反应室1a内部温度为约900℃，反应室1a外部温度为约20℃。由于1摩尔氢气(22.4升)在标准状态下(0℃＝274K，1大气压)的重量为2克，且根据查理定律(Charle’slaw)，氢气在温度约为900℃(1174K)的反应室中体积会变大四倍，因此其中的1摩尔氢气(22.4升)约重0.5克。同时，由于1摩尔空气(22.4升)在标准状态下重28.9克，因此1摩尔空气(22.4升)在室温下(20℃)约重27克。换言之，由于反应室入口(即空气与氢气接触处)的空气比重比氢气比重大约54倍，由于比重的差异，空气总是位在氢气下方，而不会渗透过氢气而进入反应室1a。若入口/出口为向下方开启，则比重小于外界空气比重的气体(例如氢气)应占据入口/出口附近的区域，以防止外界空气渗入反应室。
另外，由于位于反应室出口3a下方的氩气(分子量为39.948)由冷却单元300a冷却且维持在室温，所以1摩尔氩气(22.4升)约重35克。同样，由于外界空气的比重小于氩气的比重，因此空气总是位于氩气上方，而不会渗透过氩气而进入反应室1a。若入口/出口为向上方开启，则比重大于外界空气比重的气体(例如氩气)应占据入口附近的区域，以防止外界空气渗入反应室。
导入至反应室内的预定量的氢气可经由上反应室110a的氢气排出管120a排出反应室外。其目的是通过在使反应室的入口2a中的氢气与外界空气接触的区域使氢气与外界空气的压力之间达到平衡，从而有效避免外界空气渗入反应室。换言之，将该结构配置成通过使预定量的氢气经由个别氢气排出管120a排出而在反应室的入口处使氢气和外界空气之间保持平衡，从而使得可以利用经由气体注入管注入至反应室的过量氢气来提高氢气压力，同时避免氢气因氢气压力的增加而从入口2a流出至外部。即，尽管在还原金属氧化物催化剂时，预定量的氢气会与金属氧化物催化剂反应，但仍可通过注入超过氢气反应量的氢气至反应室中来将反应室内的氢气压力维持在预定值以上。
在此，由于预定量的氢气由氢气排出管120a排出至外部，氢气会从金属催化剂还原单元100a的上反应室110a流向氢气排出管120a，所述氢气排出管120a导向反应室的入口2a，由此确保避免外界空气从入口2a进入反应室。
根据本发明，合成碳纳米管的批量生产系统可使具有不同比重的各种气体占据反应室的特定区域，使得即使采用反应室完全开放的开放结构的系统，外界空气也不会渗入反应室。
如果外界空气进入反应室，空气中含有的氧气将立刻与碳源气体进行氧化反应而无法合成碳纳米管，且氧气会与氢气反应而可能引起爆炸。因此，反应室中必须不含有氧气。
对于使用气相合成法的碳纳米管的传统批次式批量生产系统而言，用惰性气体充满反应室以将氧气与空气从反应室排出至外部，使反应室内部完全与外部隔绝，从而在反应室内部形成无氧环境，然后合成碳纳米管。
对于上述传统系统，在每次合成碳纳米管的过程中，必须重复除去反应室中的氧气、加热反应室来合成碳纳米管、冷却反应室以及取出合成的碳纳米管的步骤，这对于合成碳纳米管需要额外的准备时间。同样，采用传统的合成碳纳米管的批量生产系统，与实际合成碳纳米管的时间相比，由于额外的准备和排放时间，因此生产率的提高受到限制。
反之，对于本发明的合成碳纳米管的批量生产系统，仅在准备合成碳纳米管的初始阶段才需实现并维持合成碳纳米管所需的反应环境。因此，采用本发明的合成碳纳米管的批量生产系统，一旦系统开始运行，即可连续合成碳纳米管而无需停止。
由于将金属催化剂持续送入完全开放的反应室，因此本发明的系统可以实现碳纳米管的该连续合成。即，即使在金属催化剂从外部送入反应室时，碳纳米管合成单元200a中仍可持续合成出碳纳米管。
虽然反应室内部对于外界空气完全开放，但反应室中预定区域的特定气体可用于彻底阻隔外界空气进入反应室。即具有不同比重的气体分别占据反应室的特定区域，使得各气体可以阻隔其它气体渗入其反应室内部的特定区域，从而阻止外界空气渗入反应室。因占据反应室特定区域的气体在压力上与外界空气处于平衡状态，故可以防止外界空气渗入反应室。
图7为根据本发明第六实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如图7所示，第六实施方式的批量生产系统包括具有加热部件的反应室1a和其中限定有内部空间从而与反应室外部连通的通道4a、以及通过通道4a将金属催化剂输送至反应室1a的输送单元15a。通道4a用于输送催化剂进出反应室，因此可被视为入口或出口。
该实施方式的批量生产系统的反应室1a具有朝下开启的通道4a，以及形成于反应室内部通道4a上方的碳纳米管合成单元200a。
反应室设有气体供应单元50a，所述气体供应单元50a包括气体槽与气体注入管，每一根气体注入管连接相应的气体槽和反应室，且具有开/关阀，从而分别将碳源气体、氢气和惰性气体供应至反应室。
碳纳米管合成单元200a包括喷洒头230a，所述喷洒头230a在反应室1a的上部与碳源气体槽相连，并且具有布置成可以均匀注入碳源气体的多个喷嘴；位于喷洒头230a下方且其在上部开放(如同没有顶面的箱子)以收集碳源气体的碳源气体限制部280a；以及安装至反应室的加热部件250a。
碳源气体限制部280a具有盒状结构，由具有预定高度的壁面围绕且仅其顶部敞开。喷洒头230a位于比碳源气体限制部280a壁面顶端更低的位置。采用此结构，碳源气体从喷洒头230a注入后，会停留在碳源气体限制部280a内。部分从碳源气体限制部280a溢流出的碳源气体主要存在于反应室内的下部空间。
喷洒头具有足够的面积以覆盖碳源气体限制部的敞开顶部的大部分区域。当然，碳纳米管合成单元在喷洒头与碳源气体限制部之间具有允许容纳催化剂的部件进入碳源气体限制部的空间，以及允许容纳催化剂的部件离开碳源气体限制部的空间。因此，喷洒头可以非常有效地避免比碳源气体重量轻的氢气进入碳源气体限制部，同时允许容纳催化剂的部件进出碳源气体限制部，由此维持碳纳米管的高合成产率。
碳源气体限制部280a的上端限定有回旋(leeway)空间，从而允许桶状容器(即容纳催化剂的部件)从一侧进入上部并从另一侧离开上部。结果，位于碳源气体限制部的碳源气体将在反应区域中与金属催化剂反应，所述反应区域形成于碳源气体限制部上方的氢气占据回旋空间的下方。
碳源气体限制部280a形成有排出管285a，水、残余的碳源气体与其它副产物可以通过该排出管285a排出。若将过量碳源气体供应至反应室，则部份碳源气体经由排出管285a排至外部。碳源气体限制部280a用来收集比氢气重的碳源气体，且不限于盒状结构。作为另外一种选择，碳源气体限制部280a可以具有上部敞开，四周和底部封闭的各种结构。
安装在反应室上的加热部件加热整个反应室内部。因此，当桶状容器10a经由通道4a输送至反应室时，桶状容器10a内的金属氧化物催化剂在桶状容器10a到达碳源气体限制部280a前，与由气体注入管注入并充入反应室的氢气反应而还原，因而除去反应室中的氧。因此，本身充满氢气的反应室作为还原金属催化剂的金属催化剂还原单元。
此外，反应室形成有独立的与碳源气体限制部的一侧相接触的诱导还原导引面，以确保金属催化剂的还原。诱导还原导引面具有足够的侧向长度，以确保容纳催化剂的部件沿反应室上部空间移动的时间足够长以还原其中的金属氧化物催化剂。虽然本实施方式描述为包括独立的诱导还原导引面，但本发明并不限于此结构。作为另外一种选择，输送单元可设置为适当的运输路径，使容纳催化剂的部件在到达碳源气体限制部前，沿着反应室上部移动足够长的距离，使金属氧化物催化剂被还原足够长的时间。
通道4a从反应室向下延伸预定距离。反应室进一步包括形成于通道4a附近的冷却单元300a，并包含冷却部件350a，从而当碳纳米管在其中合成后将其从反应室排出至外部时冷却碳纳米管。
氢气排出管120a形成在通道4a一侧。如果由气体供应单元50a过量供应氢气，则氢气压力会持续增高。因此，必须将预定量的氢气排出至反应室外部，以在通道4a的氢气与外界空气接触处保持氢气与外界空气的压力间的平衡。为此目的，将氢气通过氢气排出管120a，而非通道4a排出。氢气排出管120a设在反应室下部的原因在于，当氢气在反应室中在高温条件下上升至反应室上部时，可以防止氢气直接排放至外部，而是充分留在反应室中，由此充分提高反应室内的氢气压力。
由于反应室外的外界空气比重大于氢气比重，因此外界空气会保持在氢气下方。在这点上，由于通道4a朝下开启，因此可以防止比重较大的外界空气渗入充满氢气的反应室。再者，由于在通道4a的氢气与外界空气接触处维持氢气压力和外界空气压力间的平衡，因此也可防止外界空气渗入反应室。
尽管此实施方式的批量生产系统的通道4a为朝下开启，然而比重大于反应室内具有高温的氢气的比重的外界空气一直位于氢气下方，因而可避免外界空气渗入反应室1a。
在此实施方式中，氩气注入管与反应室的喷洒头相连接。采用该结构，如果在反应准备阶段注入氩气，则所述氩气会向下推挤存在于反应室中的空气，使空气从通道排出，使得反应室内部变成惰性气体环境。接着，通过将氢气与碳源气体一起供应至反应室来还原金属催化剂，从而合成碳纳米管。第二实施方式的其它组件与过程与第一实施方式相同，故下文不再赘述。
图8为根据本发明第七实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如图8所示，第七实施方式的批量生产系统与第二实施方式的相同之处为，允许桶状容器10a(即容纳催化剂的部件)经由通道4a进出。然而，第三实施方式与第二实施方式的不同之处具体在于，通道4a为朝上开启，且与U型部400a相连接。第三实施方式的批量生产系统进一步包括输送单元15a，用来将容纳金属氧化物催化剂的桶状容器10a输送至反应室以合成碳纳米管，然后将桶状容器输送至反应室外。
U型部400a由通道4a向下形成，弯曲并水平延伸预定距离，然后在延伸端与用于合成碳纳米管的碳纳米管合成单元200a连接。
U型部400a构成冷却单元300a，所述冷却单元300a包括置于U型部400a附近的冷却部件350a。与U型部400a相邻，在反应室内形成有金属催化剂还原单元100a和碳纳米管合成单元200a。
当冷却部件350a冷却U型部400a时，U型部400a中充有由气体供应单元50a的氩气注入管注入且达预定高度的氩气。冷却的氩气的比重大大提高，大于外界空气的比重。因此在反应室的通道4a处，外界空气将一直位在具较大比重的氩气的上方，从而阻隔外界空气渗入反应室1a。占据U型部400a的气体可以是与氩气一样的任意比重大于外界空气比重的惰性气体。
反应室具有水平延伸部105a，其从U型部400a弯曲，并由安装至反应室外部的加热部件加热。在水平延伸部105a中，通过氢气注入管注入至反应室的氢气与由输送单元15a导入反应室水平延伸部105a的金属氧化物催化剂反应，从而除去金属氧化物催化剂中的氧。经过水平延伸部105a后，容纳催化剂的部件紧接着传送到后反应室205a的顶面。因此，即使存在少量未还原的金属氧化物催化剂，也可由充入后反应室205a上部空间的氢气还原，从而完全还原金属氧化物催化剂。水平延伸部105a不局限于图8所示的长度，可以具有使金属氧化物催化剂还原足够时间的长度。
与水平延伸部105a相连接的后反应室205a具有限定在其中的预定大小的空间以及安装在上部向其中均匀注入碳源气体的喷洒头230a。后反应室205a在上部设置有用以将比碳源气体轻的氢气排出到外部的氢气排出管207a，并且在下部设置有加热部件250a。由输送单元15a运送至后反应室205a的容纳催化剂的部件中的金属氧化物催化剂在通过喷洒头230a下方时，与碳源气体反应而合成碳纳米管。在使合成的碳纳米管容纳于其中的条件下，容纳催化剂的部件由输送单元15a沿相同路径送出反应室外。
后反应室205a的底面比水平延伸部105a深，且喷洒头230a设置于靠近后反应室205a的底面。采用该结构，后反应室205a可使碳源气体聚集在底部的预定空间，这构成了金属催化剂与碳源气体反应的反应区域。由于金属催化剂直接通过后反应室205a底面的上方，因此其可与稠密地聚集于此的碳源气体反应，从而有效合成碳纳米管。换言之，将后反应室205a的底面形成得比水平延伸部105a深，目的是通过使比氢气重的碳源气体因重力而强制聚集在后反应室205a的下部空间，从而增强反应效率。
本实施方式的其它组件在参考上述实施方式后容易理解，因此下文不再赘述。
图9为根据本发明第八实施方式的合成碳纳米管的批量生产系统的截面示意图。如图9所示，第八实施方式的批量生产系统类似于第七实施方式的批量生产系统，不同之处在于第四实施方式的批量生产系统不包括U型部，且具有朝下开启的通道。
由于氢气从朝下开启的通道充入反应室中，反应室外的空气无法进入反应室。外界空气无法进入反应室的原因已经在第五及第六实施方式中进行了详细描述，因此下文不再赘述。
第四实施方式的批量生产系统与第七实施方式的不同之处在于将氢气排出管207a形成于通道上部。利用形成在通道附近的氢气排出管207a，可以防止氢气由通道排出。
在根据上述实施方式的批量生产系统中，若碳纳米管合成单元200a具有增长的长度，则供容纳催化剂的部件移动同时进行还原的长度增加，因此可以提高容纳催化剂的部件的输送速度。换言之，当确定了合成反应的反应时间和反应室内的温度时，若碳纳米管合成单元200a具有增长的长度，则可以加快金属催化剂输入反应室的速度，从而可以提高生产率。
在上述实施方式的批量生产系统中，虽然所描述的加热部件和冷却部件350a安装在反应室外部，但本发明并不限于此结构。相反，这些组件可安装在任一适合加热及冷却的位置。
根据本发明，批量生产系统可根据反应室的形状而包括一个或多个不同比重气体占据部。此外，彼此隔开的不同比重气体占据部可与充入相同或不同的气体。
用于输送容纳催化剂的部件的机构不限于传送带，也可以使用任意公知的各种运输部件。
设置反应室中的碳源气体限制部280a的目的是用来增强碳纳米管的合成效率，并且用来在特定位置聚集碳源气体。
虽然本发明的实施方式包含分离的冷却部件来将合成的碳纳米管冷却至室温，但本发明并不限于此结构，因此碳纳米管可在排出反应室外以后在外部进行冷却，而不使用冷却部件。
应当理解，为了说明的目的已经对实施方式和附图进行了描述，并且本发明由以下权利要求进行限定。此外，本领域技术人员可以理解，可以进行各种更改、增添和替换而不会背离所附权利要求所确定的范围和精神。
工业实用性
本发明可以用于采用气相合成法的碳纳米管的批量生产系统。特别是，本发明可以用于使用具有开放型反应室的批量生产系统大量合成碳纳米管的方法。

Claims (21)

1.一种用于合成碳纳米管的批量生产系统，所述批量生产系统包括：
反应室，所述反应室具有至少一个连通外界空气的开口、和至少一个不同比重气体占据区域，所述不同比重气体占据区域充有比重不同于外界空气的比重的不同比重的气体以阻隔外界空气通过所述开口进入所述反应室；
碳纳米管合成单元，所述碳纳米管合成单元位于所述不同比重气体占据区域，从而利用通过所述开口导入其中的催化剂介质来合成碳纳米管；
输送单元，所述输送单元通过所述开口将催化剂输送至所述碳纳米管合成单元；以及
气体供应单元，所述气体供应单元分别将不同比重的气体和用于合成碳纳米管的碳源气体供应至所述不同比重气体占据区域和碳纳米管合成单元，
其中，所述碳纳米管合成单元包括：
反应区域，所述反应区域限定于所述反应室内，从而利用填充于所述不同比重气体占据区域中的不同比重的气体来阻隔外界空气；
碳源气体注入器，所述碳源气体注入器用于将由所述气体供应单元供应的碳源气体注入到所述反应区域，使得由所述输送单元输送到所述反应区域的催化剂与所述碳源气体反应以合成碳纳米管；以及
加热部件，所述加热部件用于加热所述反应区域。
2.如权利要求1所述的批量生产系统，其中，所述开口包括将催化剂导入至所述反应室的入口，和将通过所述碳纳米管合成单元合成的碳纳米管排出至所述反应室外的出口；并且
所述输送单元通过所述开口、不同比重气体占据区域、碳纳米管合成单元以及出口来输送所述催化剂和/或碳纳米管。
3.如权利要求1所述的批量生产系统，其中，所述碳纳米管合成单元的反应区域限定在至少一部分所述不同比重气体占据区域的下部，所述不同比重气体占据区域充有比重小于所述碳源气体的不同比重的气体；并且
所述碳纳米管合成单元还包含在上部开口的碳源气体限制部，从而阻隔注入到反应区域的碳源气体从反应区域漏出。
4.如权利要求1所述的批量生产系统，其中，所述不同比重气体占据区域包含：
第一不同比重气体占据区域，所述第一不同比重气体占据区域充有比重小于所述碳源气体的不同比重的气体；以及
第二不同比重气体占据区域，所述第二不同比重气体占据区域充有比重大于所述碳源气体比重的不同比重的气体，
所述第一不同比重气体占据区域、反应区域及第二不同比重气体占据区域为沿重力方向依次限定于所述反应室内。
5.如权利要求1所述的批量生产系统，其中，所述不同比重的气体包括：
至少一种比重小于外界空气比重的气体；以及
比重大于外界空气比重的气体，从而根据所述反应室的开口的位置阻隔外界空气通过所述开口导入所述反应室。
6.如权利要求1所述的批量生产系统，其中，占据所述不同比重气体占据区域的至少一种不同比重的气体为氢气。
7.如权利要求6所述的批量生产系统，其中，所述反应室具有至少一根形成在其中的排气管，以将氢气排放至反应室外部，从而使占据所述不同比重气体占据区域的氢气的压力与外界空气压力达到平衡状态。
8.如权利要求2所述的批量生产系统，其中，所述不同比重气体占据区域包括以穿越重力方向的方向而连通的第一占据区域、在所述入口与第一占据区域间连通的第二占据区域、以及在所述出口与第一占据区域间连通的第三占据区域；
所述反应室在其入口与出口处弯曲从而在其中限定出所述第一占据区域、第二占据区域、和第三占据区域。
9.如权利要求8所述的批量生产系统，其中，所述入口与出口在重力方向上相对于所述第一占据区域具有位差，以防止充入所述不同比重气体占据区域的不同比重的气体因重力而通过所述入口与出口排出所述反应室外。
10.如权利要求9所述的批量生产系统，其中，所述碳纳米管合成单元包含：
反应区域，所述反应区域限定于所述反应室内，同时利用填充于所述不同比重气体占据区域中的不同比重的气体来阻隔外界空气；
碳源气体注入器，所述碳源气体注入器用于将由所述气体供应单元供应的碳源气体注入到所述反应区域，使得由所述输送单元输入到所述反应区域的催化剂与所述碳源气体反应，由此合成碳纳米管；以及
加热部件，所述加热部件用于加热所述反应区域。
11.如权利要求10所述的批量生产系统，其中，所述不同比重的气体包括比重小于外界空气比重的气体，且所述入口和出口的位置沿重力方向低于所述第一占据区域，以防止不同比重的气体因重力而通过所述入口或出口排出所述反应室外。
12.如权利要求11所述的批量生产系统，其中，所述不同比重的气体为比重小于外界空气比重的氢气。
13.如权利要求10所述的批量生产系统，其中，所述不同比重的气体包括比重大于外界空气比重的气体，且所述入口与出口的位置沿重力方向高于所述第一占据区域，以防止所述不同比重的气体因重力而通过所述入口和出口排出所述反应室外。
14.如权利要求1或12所述的批量生产系统，其中，所述碳源气体注入器包括对应于所述反应区域的尺寸而分散排列的多个喷嘴，从而将所述碳源气体均匀地注入至所述反应区域。
15.如权利要求6或12所述的批量生产系统，所述批量生产系统进一步包括：
加热部件，所述加热部件加热所述反应室内的至少一个区域，从而还原通过所述开口导入到所述反应室中的催化剂。
16.如权利要求6或12所述的批量生产系统，其中，所述碳纳米管合成单元包括向上开口的碳源限制部，以阻隔注入到所述反应区域的碳源气体从所述反应区域漏出。
17.如权利要求2至13任一项所述的批量生产系统，所述批量生产系统进一步包括：
冷却单元，从而冷却所述反应室靠近出口的一个区域，使得通过所述冷却单元来冷却碳纳米管。
18.一种合成碳纳米管的批量生产方法，所述批量生产方法包括下列步骤：
准备反应室，所述反应室具有限定于其中的不同比重气体占据区域、和至少一个连通外界空气的开口；
将至少一种不同比重的气体充入所述不同比重气体占据区域，所述不同比重的气体具有不同于外界空气的比重以防止外界空气通过所述开口进入所述不同比重气体占据区域；
将碳源气体供应给所述不同比重气体占据区域，以形成利用不同比重的气体来阻隔外界空气的反应区域；
通过所述开口将催化剂供应至所述反应室的反应区域；
通过使所述催化剂与形成所述反应区域的碳源气体反应而合成碳纳米管；以及
通过所述开口将合成的碳纳米管排出至所述反应室的外部，
其中，所述不同比重气体占据区域包括以穿越重力方向的方向而连通的第一占据区域、在所述入口与第一占据区域间连通的第二占据区域、以及在所述出口与第一占据区域间连通的第三占据区域；所述反应室在其入口与出口处弯曲从而在其中限定出所述第一占据区域、第二占据区域、和第三占据区域。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述入口与出口在重力方向上相对于所述第一占据区域具有位差，以防止充入所述不同比重气体占据区域的不同比重气体因重力而通过所述入口与出口排出所述反应室外。
20.如权利要求18所述的方法，其中，充入所述不同比重气体占据区域内的不同比重气体包括氢气，
并且所述方法进一步包括：
加热所述第二占据区域；以及在所述第二占据区域中通过使氢气与所述催化剂反应而还原所述催化剂。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述反应室进一步包括形成在其入口与出口中的至少一个的附近的排气管，从而与外界连通，
所述方法进一步包括：通过所述排气管排出氢气，从而使占据所述不同比重气体占据区域的氢气的压力与外界空气的压力达到平衡状态。
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Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7850778B2 (en) 2005-09-06 2010-12-14 Lemaire Charles A Apparatus and method for growing fullerene nanotube forests, and forming nanotube films, threads and composite structures therefrom
US7744793B2 (en) 2005-09-06 2010-06-29 Lemaire Alexander B Apparatus and method for growing fullerene nanotube forests, and forming nanotube films, threads and composite structures therefrom
US8951632B2 (en) 2007-01-03 2015-02-10 Applied Nanostructured Solutions, Llc CNT-infused carbon fiber materials and process therefor
US8951631B2 (en) 2007-01-03 2015-02-10 Applied Nanostructured Solutions, Llc CNT-infused metal fiber materials and process therefor
US9005755B2 (en) 2007-01-03 2015-04-14 Applied Nanostructured Solutions, Llc CNS-infused carbon nanomaterials and process therefor
US8075869B2 (en) 2007-01-24 2011-12-13 Eden Energy Ltd. Method and system for producing a hydrogen enriched fuel using microwave assisted methane decomposition on catalyst
US8092778B2 (en) * 2007-01-24 2012-01-10 Eden Energy Ltd. Method for producing a hydrogen enriched fuel and carbon nanotubes using microwave assisted methane decomposition on catalyst
US8021448B2 (en) * 2007-01-25 2011-09-20 Eden Energy Ltd. Method and system for producing a hydrogen enriched fuel using microwave assisted methane plasma decomposition on catalyst
US7794797B2 (en) * 2007-01-30 2010-09-14 Cfd Research Corporation Synthesis of carbon nanotubes by selectively heating catalyst
KR100851391B1 (ko) * 2007-04-27 2008-08-08 세메스 주식회사 탄소나노튜브 합성장치 및 방법
KR100862895B1 (ko) * 2007-08-21 2008-10-13 세메스 주식회사 탄소나노튜브 합성 방법, 이를 적용한 탄소나노튜브 합성장치 및 시스템
US20090205254A1 (en) * 2008-02-14 2009-08-20 Zhonghua John Zhu Method And System For Converting A Methane Gas To A Liquid Fuel
KR101703340B1 (ko) 2009-02-27 2017-02-06 어플라이드 나노스트럭처드 솔루션스, 엘엘씨. 가스 예열법을 이용한 저온 ｃｎｔ 성장
US20100224129A1 (en) 2009-03-03 2010-09-09 Lockheed Martin Corporation System and method for surface treatment and barrier coating of fibers for in situ cnt growth
DK2417286T3 (en) * 2009-04-10 2015-08-17 Applied Nanostructured Solutions Inc Device and method for producing carbon nanotubes on a substrate that moves continuously
CN102459074A (zh) * 2009-06-17 2012-05-16 独立行政法人产业技术综合研究所 高比表面积的碳纳米管集合体的制造方法
EP2450310B1 (en) * 2009-07-01 2017-06-14 Zeon Corporation Device for manufacturing aligned carbon nanotube assembly
AU2010279709A1 (en) 2009-08-03 2012-01-19 Applied Nanostructured Solutions, Llc. Incorporation of nanoparticles in composite fibers
CA2801186A1 (en) * 2010-01-15 2011-07-21 Applied Nanostructured Solutions, Llc Apparatus and method for the production of carbon nanotubes on a continuously moving substrate
CN104475313B (zh) 2010-09-14 2017-05-17 应用奈米结构公司 长有碳纳米管玻璃基板及其制造方法
CN103118975A (zh) 2010-09-22 2013-05-22 应用奈米结构公司 具有碳纳米管成长于其上的碳纤维基板及其制造方法
KR101308420B1 (ko) 2010-11-08 2013-09-16 한국에너지기술연구원 금속간화합물 또는 합금 코어와 탄소나노튜브 쉘로 구성된 이질나노와이어 및 그 합성방법
KR101197190B1 (ko) 2010-11-08 2012-11-02 한국에너지기술연구원 길이방향으로 구성된 금속산화물 이질나노와이어와 그 합성방법
KR101236439B1 (ko) 2011-04-07 2013-02-21 한국에너지기술연구원 결정성 탄소쉘과 인산칼슘화합물 코어로 구성된 이질 나노와이어 및 그 합성방법
US8636843B2 (en) 2011-04-07 2014-01-28 Korea Institute Of Energy Research Single-crystal apatite nanowires sheathed in graphitic shells and synthesis method thereof
KR101304216B1 (ko) * 2011-04-25 2013-09-05 한국에너지기술연구원 나노 크기의 금속간화합물을 포함하는 탄소나노와이어의 합성방법 및 이에 의하여 합성된 탄소나노와이어
US20140154416A1 (en) * 2011-05-31 2014-06-05 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Apparatus and method for producing oriented carbon nanotube aggregate
GB201412656D0 (en) 2014-07-16 2014-08-27 Imp Innovations Ltd Process
CN106241774A (zh) * 2016-08-31 2016-12-21 无锡东恒新能源科技有限公司 一种工业用从石墨中提取碳纳米管的量产装置
CN106365145A (zh) * 2016-08-31 2017-02-01 无锡东恒新能源科技有限公司 一种石墨中提取碳纳米管的一体装置
CN106379884A (zh) * 2016-08-31 2017-02-08 无锡东恒新能源科技有限公司 一种碳纳米管分化提取装置
CN107381540A (zh) * 2017-07-21 2017-11-24 南昌大学 一种加固体催化剂连续生产碳纳米管的卧式窑炉
CN111762937B (zh) * 2020-06-19 2021-10-29 昆明理工大学 一种复合型光催化纳米马达的制备方法及应用
US20230264960A1 (en) 2020-07-09 2023-08-24 University Of Hawai'i Continuous production of nanoforests

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1327943A (zh) * 2001-05-25 2001-12-26 清华大学 一种流化床连续化制备碳纳米管的方法及其反应装置
US6413487B1 (en) * 2000-06-02 2002-07-02 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Method and apparatus for producing carbon nanotubes
US6759025B2 (en) * 2000-09-22 2004-07-06 Iljin Nanotech Co., Ltd. Method of synthesizing carbon nanotubes and apparatus used for the same
US6855301B1 (en) * 2000-10-20 2005-02-15 The Ohio State University Synthesis method for producing carbon clusters and structured carbon clusters produced thereby

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4048955A (en) 1975-09-02 1977-09-20 Texas Instruments Incorporated Continuous chemical vapor deposition reactor
US4430149A (en) 1981-12-30 1984-02-07 Rca Corporation Chemical vapor deposition of epitaxial silicon
GB2159812B (en) * 1984-06-01 1988-02-10 Stc Plc Manufacturing optical fibre
US5105762A (en) 1988-12-20 1992-04-21 Texas Instruments Incorporated Support and seal structure for CCVD reactor
DE69119838T2 (de) * 1990-07-30 1996-10-02 Nikkiso Co Ltd Apparat und Verfahren zur Herstellung von dünnen Kohlenstoffasern durch Dampf-Phasen-Pyrolyse
KR100366810B1 (ko) * 2000-01-26 2003-01-14 일진나노텍 주식회사 탄소나노튜브의 합성 방법 및 그를 위한 벨트형열화학기상증착장치
JP3772754B2 (ja) * 2002-02-13 2006-05-10 東レ株式会社 カーボンナノチューブの連続製造方法および製造装置
JP3810394B2 (ja) * 2003-07-25 2006-08-16 日機装株式会社 内部加熱体装備反応管装置
JP3985029B2 (ja) 2003-08-04 2007-10-03 日立造船株式会社 カーボンナノチューブの製造方法およびその装置
JP4452773B2 (ja) * 2003-08-05 2010-04-21 株式会社ナノクリエイツ 炭素微粒子の製造方法及び製造装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6413487B1 (en) * 2000-06-02 2002-07-02 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Method and apparatus for producing carbon nanotubes
US6759025B2 (en) * 2000-09-22 2004-07-06 Iljin Nanotech Co., Ltd. Method of synthesizing carbon nanotubes and apparatus used for the same
US6855301B1 (en) * 2000-10-20 2005-02-15 The Ohio State University Synthesis method for producing carbon clusters and structured carbon clusters produced thereby
CN1327943A (zh) * 2001-05-25 2001-12-26 清华大学 一种流化床连续化制备碳纳米管的方法及其反应装置

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