CN103708439A - 一种火焰法连续合成碳纳米管的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纳米管合成技术领域，涉及一种火焰法连续合成碳纳米管的装置和方法。该装置包括传送装置和燃烧装置，传送装置包括电机、基板输送转轴、基板回收转轴和若干固定转轴；基板输送转轴和基板回收转轴由电机带动，电机上连接时间控制器，若干固定转轴设置在基板输送转轴和基板回收转轴之间，固定基板方向；在自基板输送转轴到与基板回收转轴之间的基板传送程中还依次设有催化剂涂覆装置、烘干器、燃烧装置、和碳纳米管收集装置。本发明的简化了火焰合成碳纳米管的合成工艺，扩大合成区域，在保证质量的前提下降低成本；并设计连续传送装置，使合成过程可连续进行，提高生产效率；改进基板上催化剂的涂覆方法，使催化剂涂抹更加便捷。

Description

一种火焰法连续合成碳纳米管的装置和方法
技术领域
本发明属于碳纳米管合成技术领域，具体涉及一种采用多种碳氢燃料预混火焰合成碳纳米管的方法。
背景技术
碳纳米管自被发现以来，因其独特的物理、化学性质受到了广大科学研究者的关注。目前碳纳米管的主要合成方法有：电弧放电法、激光蒸发法、气相沉积法以及火焰合成法。火焰合成法较前几种方法，具有设备简单，成本低，合成工艺简洁的特点。目前不同学者进行的实验中采用了不同的制备方法，碳源使用甲烷、乙炔、乙烯等常见碳氢化合物，催化剂使用了铁、钴、镍等，火焰形态包括了扩散火焰、层流预混火焰以及对冲火焰等，主要取样方法为探针取样和基板取样。然而无论是探针取样还是基板取样，均是单次制备，无法快速连续进行。又由于火焰合成碳纳米管的机理尚不明确，因此无法准确的预测其合成区域。
火焰合成法的影响因素主要包括以下几个方面：
1、不同火焰形态。由于不同火焰形态内的物质、能量传播方式及速度均不一致，导致火焰中的温度分布，组分浓度分布均不相同。
2、反应物配比。火焰合成法中火焰为富燃料燃烧，燃氧比直接影响到火焰中各组分的浓度，当燃氧比过高时，碳黑容易将催化剂颗粒包裹住，从而使催化剂失活；当燃氧比过低时，较低的不完全燃烧组分无法生成碳纳米管。
3、火焰温度。过高或过低的温度均会使催化剂失活，火焰温度主要与燃氧比及火焰中的位置有关。
4、取样时间。当取样时间过短时，碳纳米管未生成或刚开始生成，无法检测；过长的取样时间容易使表面覆盖过厚的碳黑，使最终产物中杂质含量过高。
目前，火焰合成法制备碳纳米管主要面临以下问题：1、合成质量优异的碳纳米管，提高生成率；2、在不同火焰形态下，确定其合成区域，包括高度范围，温度范围以及时间范围等；3、解决工业上连续批量生产的问题。
发明内容
本发明采用乙炔/甲烷层流预混火焰合成碳纳米管，其目的是为了简化火焰合成碳纳米管的合成工艺，扩大合成区域，在保证质量的前提下降低成本；并设计连续传送装置，使合成过程可连续进行，提高生产效率；改进基板上催化剂的涂覆方法，使催化剂涂抹更加便捷。
本发明通过如下技术方案得以实现：
一种火焰法连续合成碳纳米管的装置，包括传送装置和燃烧装置，传送装置包括电机、基板输送转轴、基板回收转轴和若干固定转轴；基板输送转轴和基板回收转轴由电机带动，电机上连接时间控制器，若干固定转轴设置在基板输送转轴和基板回收转轴之间，用于调整基板在传送程中的行走方向；在自基板输送转轴到与基板回收转轴之间的基板传送程中还依次设有催化剂涂覆装置、烘干器、燃烧装置、和碳纳米管收集装置。
所述催化剂涂覆装置由催化剂滴管和滚动毛刷构成，滚动毛刷与基板表面接触，滚动时催化剂涂覆于基板表面；催化剂滴管向滚动毛刷输送催化剂溶液。
所述碳纳米管收集装置由刀片和容器组成，刀片刮取基板表面经炒燃烧形成的碳纳米管，并落入容器中。
所述燃烧装置由燃烧器、空气压缩机、乙炔瓶、甲烷瓶、氮气瓶、预混合室构成；基板由传送装置传送经过燃烧器所形成火焰的上方。
本发明还公开了一种采用上所述装置连续合成碳纳米管的方法，是：电机上连接时间控制器，电机的工作循环为转动5秒，停止1.5-5分钟，固定转轴用于固定基板位置，基板由基板输送转轴开始传送，最终由基板输送转轴回收基板；电机停止时，催化剂滴管向滚动毛刷输送催化剂溶液，由滚动毛刷在基板表面涂抹催化剂，在烘干器处将基板表面催化剂溶液烘干，在燃烧装置处制备碳纳米管；电机转动时，由碳纳米管收集装置刮取基板表面碳纳米管并收集。
本发明连续传送装置为间断式连续传送，由时间控制器控制，即传送一定时间后，再停止一段时间。连续传送装置包含以下功能，自动传送基板，涂覆催化剂，烘干器烘干，火焰合成碳纳米管，收集基板表面的碳纳米管，回收基板。燃烧器采用普通圆柱形燃烧器，将一定流量比例的C2H2，CH4，N2和空气进行预混后，通入燃烧器中，在出口处点燃，形成稳定的预混火焰，调节燃烧器高度，使基板处于火焰的一定高度范围内，一段时间后，在基板表面即可得到碳纳米管。
所述燃烧装置由燃烧器、空气压缩机、乙炔瓶、甲烷瓶、氮气瓶、预混合室构成；燃烧装置中各气体具体流量为C2H2：200sccm，CH4：50sccm，N2：712sccm，空气：909sccm；得到预混火焰高度为55mm，基板位于内焰顶端至外焰顶端之间。
本发明中，基板的材料选用Cu，并制成薄Cu片，催化剂选用NiNO3。具体处理方法为：首先量取29gNiNO3和1L无水乙醇，调配成0.1mol/L的NiNO3溶液，并置于超声波振荡器中振荡30分钟。
本发明是对大量实验的总结后得出，通过模拟和检测发现，取样范围内的温度以及主要离子的浓度，如Soot，均与其他方法得到的数据较为接近。经SEM检测得到的碳纳米管，数量以及质量均较为理想。此发明较之前的火焰合成方法，扩大了合成区域，包括高度范围和时间区间范围，并且采用的原料气体和催化剂均容易制备，降低了成本。
附图说明
图1、火焰法连续合成碳纳米管的装置示意图。
1、时间控制器；2、电机；3、基板回收转轴；4、基板输送转轴；5-9、为第1至第5固定转轴；10、催化剂滴管；11、滚动毛刷；12、烘干器；13、燃烧器；14、空气压缩机；15、乙炔瓶；16、甲烷瓶；17、氮气瓶；18、预混合室；19、刀片；20、容器。
图2、预混火焰合成的碳纳米管SEM表征，气体流量为C2H2：200sccm，CH4：50sccm，N2：712sccm，空气：909sccm。
图3、预混火焰合成的碳纳米管TEM表征，气体流量为C2H2：200sccm，CH4：50sccm，N2：712sccm，空气：909sccm。
具体实施方式
本发明如图1所示，分为传送部分和合成部分。传送部分为：基板回收转轴3和基板输送转轴4由电机2带动，并在电机2上连接时间控制器1，电机的工作循环为转动5秒，停止1.5-5分钟，第1至第5固定转轴5-9用于固定基板位置，基板由基板输送转轴4开始传送，最终由基板输送转轴4回收基板；电机停止时，催化剂滴管10向滚动毛刷11输送催化剂溶液，由滚动毛刷11在基板表面涂抹催化剂，在烘干器12处将基板表面催化剂溶液烘干，在燃烧器13处制备碳纳米管；电机转动时，在刀片19处刮取基板表面碳纳米管，并落入容器20。
合成部分为：采用C2H2，CH4，N2和空气的预混火焰，由空气压缩机14、乙炔瓶15、甲烷瓶16和氮气瓶17调节固定流量后，通入预混合室18中进行预混，再通入燃烧器13中点燃形成稳定火焰。具体流量为C2H2：200sccm，CH4：50sccm，N2：712sccm，空气：909sccm，得到预混火焰高度为55mm，调节燃烧器18的高度，由实验总结得到，使基板位于内焰顶端至外焰顶端之间，在火焰高度12-15mm处即可。
采用此方法成功制备出的碳纳米管通过SEM和TEM表征，如图2和图3，由图可看出产品管径在20nm左右。

Claims (8)

1.一种火焰法连续合成碳纳米管的装置，包括传送装置和燃烧装置，其特征在于传送装置包括电机、基板输送转轴、基板回收转轴和若干固定转轴；基板输送转轴和基板回收转轴由电机带动，电机上连接时间控制器，若干固定转轴设置在基板输送转轴和基板回收转轴之间，用于调整基板在传送程中的行走方向；在自基板输送转轴到与基板回收转轴之间的基板传送程中还依次设有催化剂涂覆装置、烘干器、燃烧装置、和碳纳米管收集装置。
2.根据权利要求1所述的火焰法连续合成碳纳米管的装置，其特征在于所述催化剂涂覆装置由催化剂滴管和滚动毛刷构成，滚动毛刷与基板表面接触，滚动时催化剂涂覆于基板表面；催化剂滴管向滚动毛刷输送催化剂溶液。
3.根据权利要求1或2所述的火焰法连续合成碳纳米管的装置，其特征在于所述碳纳米管收集装置由刀片和容器组成，刀片刮取基板表面经炒燃烧形成的碳纳米管，并落入容器中。
4.根据权利要求3所述的火焰法连续合成碳纳米管的装置，其特征在于所述燃烧装置由燃烧器、空气压缩机、乙炔瓶、甲烷瓶、氮气瓶、预混合室构成；基板由传送装置传送经过燃烧器所形成火焰的上方。
5.一种采用权利要求1所述装置连续合成碳纳米管的方法，其特征在于：电机上连接时间控制器，电机的工作循环为转动5秒，停止1.5-5分钟，固定转轴用于固定基板位置，基板由基板输送转轴开始传送，最终由基板输送转轴回收基板；电机停止时，催化剂滴管向滚动毛刷输送催化剂溶液，由滚动毛刷在基板表面涂抹催化剂，在烘干器处将基板表面催化剂溶液烘干，在燃烧装置处制备碳纳米管；电机转动时，由碳纳米管收集装置刮取基板表面碳纳米管并收集。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基板的材料选用Cu，并制成薄Cu片，催化剂选用NiNO3。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，催化剂通过下述方法制备：量取29gNiNO3和1L无水乙醇，调配成0.1mol/L的NiNO3溶液，并置于超声波振荡器中振荡30分钟。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述燃烧装置由燃烧器、空气压缩机、乙炔瓶、甲烷瓶、氮气瓶、预混合室构成；燃烧装置中各气体具体流量为C2H2：200sccm，CH4：50sccm，N2：712sccm，空气：909sccm；得到预混火焰高度为55mm，基板位于内焰顶端至外焰顶端之间。
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