CN101397133A - 制造碳纳米管的设备和使用该设备制造碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制造碳纳米管的设备和使用该设备制造碳纳米管的方法，其中串联配置多个碳纳米管合成单元，以连续地进行碳纳米管合成过程。因此，可以合成具有一致质量的碳纳米管。

Description

制造碳纳米管的设备和使用该设备制造碳纳米管的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2007年9月28日提交的韩国专利申请No.10-2007-0098072的优先权，在此引入该韩国专利申请的全部内容作为参考。

技术领域

本发明涉及一种制造碳纳米管的设备和方法，更具体而言，涉及一种制造碳纳米管的流化床型设备和使用该设备制造碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管的碳原子经由SP²键与三个最近相邻的碳原子连接而形成六边形环。这种六边形环以蜂窝状重复而形成石墨片，石墨片卷起形成圆柱形状。这种圆柱结构通常其直径为几纳米至几百纳米，其长度比直径大几十倍至几百倍以上。

根据石墨片的卷起形状，碳纳米管可以分成单壁纳米管、多壁纳米管和绳索纳米管。此外，根据石墨片的卷起角度和结构，碳纳米管可以具有各种电气特性。例如，椅型碳纳米管象金属那样导电，锯齿型碳纳米管具有半导体特性。

由于碳纳米管具有优异的电气特性、高的机械强度和稳定的化学特性，因此其被广泛地应用于各个技术领域，并作为将来的新材料被关注。例如，碳纳米管可以应用于二次电池以及电化学储存器件(例如，燃料电池或超级电容器)、电磁波屏蔽、场发射显示器或气体传感器的电极。

合成碳纳米管的典型方法包括电弧法、激光蒸发法、热解气相沉积法和等离子体化学气相沉积，其中主要是使用热解气相沉积法。热解气相沉积法包括在将含碳气体供应到高温反应器中的同时在金属催化剂上生长碳纳米管，并且可以在通过将流态化气体供应到反应器中而形成金属催化剂的流化床的状态下来合成碳纳米管。

发明内容

本发明提供一种制造碳纳米管的设备和使用该设备制造碳纳米管的方法，其中通过一系列连续过程进行碳纳米管合成过程。

本发明还提供一种制造碳纳米管的设备和使用该设备制造碳纳米管的方法，其中通过连续过程可以合成具有一致质量的碳纳米管。

本发明的目的不限于此，以下说明将向本领域技术人员充分传达未提及的其他目的。

本发明的实施例提供制造碳纳米管的设备，所述设备包括：串联配置并在其中进行碳纳米管合成过程的多个合成单元；输送单元，每个输送单元置于各合成单元之间，用于从配置在前面的合成单元将合成的碳纳米管输送到配置在后面的合成单元。

在一些实施例中，所述设备还可以包括：催化剂供应单元，用于将催化剂供应到各合成单元中配置在前面的合成单元；和收集单元，用于从各合成单元中配置在后面的合成单元收集已经合成的碳纳米管。

在其他实施例中，每个合成单元可以包括：在其中进行所述碳纳米管合成过程的反应器；流态化气体供应装置，用于供应在所述反应器中形成催化剂的流化床的流态化气体；以及源气体供应装置，用于将碳源气体供应到在所述反应器中的催化剂的流化床。

在本发明的其他实施例中，提供制造碳纳米管的方法，所述方法包括：将催化剂供应到串联配置的各合成单元中配置在前面的合成单元，在各合成单元中彼此相邻的合成单元之间输送合成的碳纳米管，以及从各合成单元中配置在后面的合成单元收集已经合成的碳纳米管。

在一些实施例中，各合成单元可以使用流态化气体形成催化剂的流化床，并将碳源气体供应到催化剂的流化床，从而合成碳纳米管。

附图说明

附图用于进一步理解本发明，本说明书包括这些附图并且它们构成本说明书的一部分。这些附图显示了本发明的示例性实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。附图中：

图1是显示根据本发明实施例用于制造碳纳米管的设备的示意图。

具体实施方式

下面参考附图更详细地描述本发明的优选实施例。然而，可以以许多不同的形式体现本发明，并且不应当认为本发明限制于在此描述的实施例。相反，提供这些实施例将使本发明内容清楚、完整，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。相同的附图标记始终表示相同的元件。

[实施例]

图1是显示根据本发明实施例用于制造碳纳米管的设备的示意图。

参照图1，制造碳纳米管的设备10包括催化剂还原单元100、催化剂供应单元200、第一碳纳米管合成单元300、第二碳纳米管合成单元300’、碳纳米管输送单元400和碳纳米管收集单元500’。

第一碳纳米管合成单元300和第二碳纳米管合成单元300’相继串联配置，碳纳米管输送单元400配置在第一碳纳米管合成单元300和第二碳纳米管合成单元300’之间。催化剂供应单元200与置于前面的第一碳纳米管合成单元300连接，碳纳米管收集单元500’与置于后面的第二碳纳米管合成单元300’连接。催化剂还原单元100置于催化剂供应单元200的前面。

催化剂还原单元100还原被氧化的金属催化剂，催化剂供应单元200向第一碳纳米管合成单元300提供被还原的金属催化剂。第一碳纳米管合成单元300使被还原的金属催化剂与碳源气体反应而通过气相合成碳纳米管。碳纳米管输送单元400将在第一碳纳米管合成单元300中合成的碳纳米管输送到置于后面的第二碳纳米管合成单元300’。第二碳纳米管合成单元300’使碳源气体与被合成并从第一碳纳米管合成单元300被输送的碳纳米管反应，从而完成碳纳米管的合成。碳纳米管收集单元500’收集已经被合成的碳纳米管。

尽管在本实施例中第一碳纳米管合成单元300和第二碳纳米管合成单元300’串联配置，但是可以串联配置两个以上的碳纳米管合成单元。此外，各个碳纳米管输送单元可以分别配置在多个碳纳米管合成单元之间。

在碳纳米管合成工艺中，有机金属化合物，包括磁性物质(如铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni))被用作金属催化剂。由于金属催化剂在制造工艺中可能因干燥操作和烧结操作而被氧化，因此，为合成碳纳米管必须进行除去包围金属催化剂的氧化物层的还原处理。为此，设置用于还原被氧化的金属催化剂的催化剂还原单元100。

催化剂还原单元100包括还原炉110、第一气体供应件120和第一催化剂供应线130。还原炉110可以呈大致的垂直圆柱状，并由诸如石英或石墨等耐热材料形成。加热器112设置在还原炉110周围，用于将还原炉110加热到处理温度。加热器112可以形成为包围还原炉110外壁的盘管状。在处理中，还原炉110保持在约500～600℃的温度，被氧化的金属催化剂、还原气体和流态化气体置于还原炉110中。

第一气体供应件120包括还原气体供应装置122和流态化气体供应装置124。还原气体供应装置122与还原炉110的下端连接并将用于还原被氧化的金属催化剂的还原气体供应到还原炉110中。氢气可以用作还原气体。流态化气体供应装置124与还原炉110的下端连接并将用于形成金属催化剂的流化床的流态化气体供应到还原炉110中。诸如氦气、氮气和氩气等不活泼气体可以用作流态化气体。在需要时，诸如甲烷、乙炔、一氧化碳或二氧化碳或者氩气与上述气体的混合气体等气体可以用作流态化气体。流态化气体在还原炉110中形成流化床，从而活化还原气体和金属催化剂的反应，并用于经由第一催化剂供应线130将被还原的金属催化剂运送至催化剂供应单元200。

第一催化剂供应线130的一端与还原炉110的上端连接，另一端与催化剂供应单元200连接。第一催化剂供应线130将在还原炉110中被还原的金属催化剂供应到催化剂供应单元200。

催化剂供应单元200将由催化剂还原单元100供应的被还原的金属催化剂供应到第一碳纳米管合成单元300。催化剂供应单元200包括用于贮存被还原的金属催化剂的贮存槽210。贮存槽210经由第一催化剂供应线130与还原炉110连接。载气供应装置220和第二催化剂供应线230的一端与贮存槽210连接，从而利用气体压力向第一碳纳米管合成单元300提供预定量的金属催化剂。第二催化剂供应线230的另一端与第一碳纳米管合成单元300连接。诸如氮气等不活泼气体可以用作载气。在贮存槽210中贮存的金属催化剂在从载气供应装置220供应到贮存槽210的氮气压力作用下经由第二催化剂供应线230被供应到第一碳纳米管合成单元300。

第一碳纳米管合成单元300将金属催化剂和碳源气体供应到加热的反应器310中，并热分解碳源气体而通过气相合成碳纳米管。第一碳纳米管合成单元300包括反应器310、第二气体供应件320和排放线330。

反应器310由诸如石英或石墨等耐热材料形成。反应器310可以呈大致的垂直圆柱状。加热器312设置在反应器310外侧，用于将反应器310加热到处理温度。加热器312可以形成为包围反应器310外壁的盘管状。在处理中，反应器310保持在高温下。金属催化剂经由催化剂供应单元200的第二催化剂供应线230被供应到反应器310，经由第二气体供应件320供应碳源气体和流态化气体。

第二气体供应件320包括源气体供应装置322和流态化气体供应装置324。源气体供应装置322与反应器310的下端连接并将碳源气体供应到反应器310中。碳源气体可以包括选自乙炔、乙烯、甲烷、苯、二甲苯、环己烷、一氧化碳和二氧化碳中的至少一种。流态化气体供应装置324与反应器310的下端连接并将流态化气体供应到反应器310中。诸如氦气、氮气和氩气等不活泼气体可以用作流态化气体。在需要时，诸如甲烷、乙炔、一氧化碳或二氧化碳或者氩气与上述气体的混合气体等气体可以用作流态化气体。

随着通过碳源气体和金属催化剂的反应而合成的碳纳米管的生长，碳纳米管的重量增加。在这种情况下，流态化气体防止碳纳米管因重量增加而沿重力方向落下。流态化气体在反应器310中形成流化床，从而活化碳源气体和金属催化剂的反应，并用于经由排放线330将因金属催化剂而生长的碳纳米管运送至碳纳米管收集单元500。

反应器310的上端与用于排放含有在反应器310中合成的碳纳米管的排放气体的排放线330连接。排放气体经由排放线330供应到碳纳米管收集单元500。排放线330可以与诸如真空泵或排气风扇等用于强制排出排放气体的排放装置(图未示)连接。

碳纳米管输送单元400设置在第一碳纳米管合成单元300和第二碳纳米管合成单元300’之间，并抽吸在第一碳纳米管合成单元300中合成的碳纳米管，然后将碳纳米管排放并输送到第二碳纳米管合成单元300’。碳纳米管输送单元400包括用于临时贮存碳纳米管的贮存槽410。贮存槽410经由第一供应线412与第一碳纳米管合成单元300连接，并经由第二供应线413与第二碳纳米管合成单元300’连接。抽吸件420和载气供应件430与贮存槽410连接。抽吸件420向贮存槽410施加负压，使得在第一碳纳米管合成单元300中合成的碳纳米管经由第一供应线412被抽吸到贮存槽410中。载气供应件430向贮存槽410供应载气，从而经由第二供应线413向第二碳纳米管合成单元300’提供在贮存槽410中贮存的预定量的碳纳米管。诸如氮气等不活泼气体可以用作载气。同时，从第一碳纳米管合成单元300被收集到碳纳米管收集单元500的碳纳米管可以以其中排放气体被除去的状态供应到碳纳米管输送单元400。

第二碳纳米管合成单元300’经由碳纳米管输送单元400从第一碳纳米管合成单元300接收合成的碳纳米管，并使碳纳米管与碳源气体充分反应，从而完成碳纳米管的合成。由于第二碳纳米管合成单元300’具有与第一碳纳米管合成单元300相同的构造，因而省略了对它的详细说明。附图标记310’、312’、322’、324’、330′和500’分别代表反应器、加热器、源气体供应、流态化气体供应、排放线和碳纳米管收集单元。

下面说明使用具有上述构造的碳纳米管制造设备来合成碳纳米管的过程。

首先，将在催化剂还原单元100中被还原的金属催化剂供应到催化剂供应单元200。催化剂供应单元200将预定量的金属催化剂连续供应到第一碳纳米管合成单元300。第一碳纳米管合成单元300使用流化床型方法进行碳纳米管合成过程。由于金属催化剂以预定量被连续供应到第一碳纳米管合成单元300，因而不同合成程度的碳纳米管混合在第一碳纳米管合成单元300中。在第一碳纳米管合成单元300中进行合成过程的同时，在第一碳纳米管合成单元300中合成的碳纳米管经预定周期被重复地输送到第二碳纳米管合成单元300’。第二碳纳米管合成单元300’对被合成并从第一碳纳米管合成单元300被输送的碳纳米管进行碳纳米管合成过程。第二碳纳米管合成单元300’的合成过程进行足够时间，使得碳纳米管的合成到达饱和状态。将在第二碳纳米管合成单元300’中完成的碳纳米管收集在碳纳米管收集单元500’中。

如上所述，根据本发明的制造碳纳米管的设备通过串联配置合成碳纳米管的多个单元并连续进行碳纳米管合成过程可以合成具有一致质量的碳纳米管。

根据本发明，可以通过一系列连续过程进行碳纳米管合成过程。

根据本发明，通过连续过程可以合成具有一致质量的碳纳米管。

以上公开的主题被认为是说明性的而不是限制性的，所附权利要求书意图用来覆盖所有落入本发明的实质精神和范围内的修改、改进以及其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本发明的范围将由所附权利要求书及其等同物所允许的最宽泛解释来确定，而不应受前述详细说明的约束或限制。

Claims (7)

1.一种制造碳纳米管的设备，所述设备包括：

串联配置并在其中进行碳纳米管合成过程的多个合成单元；

输送单元，每个输送单元置于各合成单元之间，用于从配置在前面的合成单元将合成的碳纳米管输送到配置在后面的合成单元。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

催化剂供应单元，用于将催化剂供应到各合成单元中配置在前面的合成单元；和

第一收集单元，用于从各合成单元中配置在后面的合成单元收集已经合成的碳纳米管。

3.如权利要求1所述的设备，其中每个合成单元包括：

在其中进行所述碳纳米管合成过程的反应器；

流态化气体供应装置，用于供应在所述反应器中形成催化剂的流化床的流态化气体；以及

源气体供应装置，用于将碳源气体供应到在所述反应器中的催化剂的流化床。

4.如权利要求1所述的设备，其中每个输送单元包括：

贮存槽，与配置在前面的合成单元和配置在后面的合成单元连接，用于贮存碳纳米管；

抽吸件，用于向所述贮存槽施加负压，从而从配置在前面的合成单元将合成的碳纳米管转移到所述贮存槽；

载气供应件，用于将载气供应到所述贮存槽，从而将在所述贮存槽中贮存的碳纳米管转移到配置在后面的合成单元。

5.如权利要求4所述的设备，还包括：

第二收集单元，用于收集从配置在前面的合成单元中排出的排放气体中所含的碳纳米管，并将所述碳纳米管供应到所述贮存槽。

6.一种制造碳纳米管的方法，所述方法包括：

将催化剂供应到串联配置的各合成单元中配置在前面的合成单元，

在各合成单元中彼此相邻的合成单元之间输送合成的碳纳米管，以及

从各合成单元中配置在后面的合成单元收集已经合成的碳纳米管。

7.如权利要求6所述的方法，其中各合成单元使用流态化气体形成催化剂的流化床，并将碳源气体供应到催化剂的流化床，从而合成碳纳米管。

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