CN103896244B - 反应器及生长碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应器，其包括：一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口；一生长基底，所述生长基底设置于反应室内，位于所述进气口及出气口之间；其中，所述生长基底为一筒状结构，该筒状结构一端开口一端封闭，所述筒状结构的开口面向所述进气口设置，所述筒状结构的筒壁为一碳纳米管催化剂复合层，该碳纳米管催化剂复合层具有多个微孔，从进气口通入的反应气体进入所述筒状结构的开口后穿过所述碳纳米管催化剂复合层的多个微孔流向所述出气口。本发明进一步提供一种利用所述反应器生长碳纳米管的方法。

Description

反应器及生长碳纳米管的方法

技术领域

本发明涉及一种反应器，以及采用所述反应器生长碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。

由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注。目前以碳纳米管结构作为生长基底，应用于反应器中生长新的结构逐渐成为新的研究热点，逐渐引起了广泛关注。

然而，由于碳纳米管结构中碳纳米管自身条件限制，如尺寸较小等，如何设置所述碳纳米管结构并其作为生长基底并在表面生长出新的结构一直是难以克服的难题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管结构作为生长基底的反应器。

一种反应器，其包括：一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口；一生长基底，所述生长基底设置于反应室内，位于所述进气口及出气口之间；其中，所述生长基底为一筒状结构，该筒状结构一端开口一端封闭，所述筒状结构的开口面向所述进气口设置，所述筒状结构的筒壁为一碳纳米管催化剂复合层，该碳纳米管催化剂复合层具有多个微孔，从进气口通入的反应气体进入所述筒状结构的开口后穿过所述碳纳米管催化剂复合层的多个微孔流向所述出气口。

一种采用所述反应器生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：提供一如上所述的反应器；向所述反应室内通入碳源气体与载气的混合气体；加热所述反应室以生长碳纳米管。

相对于现有技术，本案中所述反应器中采用碳纳米管层作为生长基底，由于所述碳纳米管层中的碳纳米管均匀分布且具有较大的比表面积，且所述碳纳米管层具有多个微孔，因此催化剂颗粒可以牢固的固定沉积于所述碳纳米管层表面或嵌入所述碳纳米管层中，并使反应气体贯穿所述碳纳米管层，从而能够有效的防止其团聚，并提高的反应效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例的提供的反应器结构示意图。

图2为图1所示反应器中所述生长基底的结构示意图。

图3为图2所示生长基底沿III-III线展开的示意图。

图4为本发明第一实施例中所述反应器中碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

图5为图4所示的碳纳米管拉膜中碳纳米管片段的结构示意图。

图6为本发明所述的反应器中包括多层碳纳米管膜的结构示意图。

图7为本发明所述反应器中非扭转的碳纳米管线的结构示意图。

图8为本发明所述反应器中扭转的碳纳米管线的结构示意图。

图9为应用图1所述反应器生长碳纳米管的结构示意图。

图10为图9所示应用中生长基底的结构示意图。

图11为图9所示生长基底的展开示意图。

图12为本发明第二实施例提供的反应器的结构示意图。

图13为图12所示的反应器中生长基底的结构示意图。

主要元件符号说明

反应器	10，20
		进气口	11
出气口	12
		反应室	13
生长基底	14
		催化剂层	15
支撑体	16
		电源	17
筒壁	140
		底面	144
开口	146
		微孔	142
碳纳米管片段	143
		碳纳米管	145
第一电极	172
		第二电极	174

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。

请参阅图1，下面结合附图及多个实施例对所述反应器及作为生长装置的应用作进一步详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种反应器10，所述反应器10包括一反应室13，一生长基底14及一支撑体16，该生长基底14通过支撑体16固定于反应室13内部。

所述反应室13具有一管壁（图未示），所述管壁由化学性质稳定、耐高温的材料制成，如石英、陶瓷、不锈钢等。所述反应室13可为有所述管壁围成的具有一定长度的管状体，其横截面可为圆形、椭圆形、三角形、四边形，或者其它规则或不规则多边形。所述反应室13具有一进气口11及一出气口12间隔设置，优选的，所述反应室13在沿长度方向上具有相对的两端，且所述进气口11及出气口12分别设置于所述反应室13相对的两端。所述反应室13的口径（即横截面的最大跨度）可为1厘米～50厘米，优选的，所述反应室13的口径可为2.5厘米～20厘米，从而能够更加方便的设置生长基底14。所述反应室13的长度可为2厘米～50厘米。为本实施例中，所述反应室13为一横截面为圆形的管状结构，所述进气口11及所述出气口12间隔设置于所述反应室13沿长度方向上相对的两端。所述反应室13的直径为2.5厘米，长度为20厘米。

请一并参阅图2，所述生长基底14设置于所述反应室13中，所述生长基底14设置于所述进气口11与所述出气口12之间，并与所述进气口11及出气口12间隔设置。所述生长基底14的形状及面积可根据所述反应室13的横截面进行选择，以使所述生长基底14能够充分利用所述反应室13内的空间。所述生长基底14为一筒状结构，包括一筒壁140、一底面144以及与所述底面144相对的开口146，形成一端开口一端封闭的半封闭结构。所述开口146与所述进气口11面对设置，以使从进气口11通入的气体通过所述开口146进入所述生长基底14中。优选的，所述进气口11正对所述开口146设置，使从进气口11流入的气体直接通过开口146进入所述筒状结构的生长基底14中。所述筒壁140与所述底面144共同围成一半封闭的空间。在沿所述筒状结构中心轴方向上，所述生长基底14的横截面的形状可为圆形、方形、椭圆形、三角形，或其他规则或不规则的几何图形。优选的，所述筒状结构的生长基底14为一直筒状结构，即在沿其中心轴方向上的横截面的尺寸、形状均相同，且均与所述底面144的形状相同，所述生长基底14的中心轴沿从进气口11到出气口12的气流方向设置。所述生长基底14的最大外径小于所述反应室13的口径，以使所述生长基底14能够设置于所述反应室13中。所述生长基底14的最大外径可为0.9厘米～45厘米，优选的，所述生长基底14的最大外径可为1厘米～15厘米。本实施例中，所述生长基底14的最大外径为2厘米。

所述生长基底14悬空设置于所述反应室13中。所述“悬空”是指所述生长基底14的至少部分筒壁140与所述反应室13间隔设置，不与所述反应室13的其他表面接触。所述生长基底14可通过所述支撑体16悬空设置。所述支撑体16的具体形状只要能够起到固定所述生长基底14，且使部分生长基底14悬空设置即可。所述支撑体16的材料可为能够形成一定几何形状的金属材料如金、银、铝等，或绝缘材料如陶瓷等，且在后续的加热过程中能够保持其自身形状。本实施例中，所述支撑体16为一固定于所述反应室13管壁上的半环状结构，其材料为陶瓷，所述生长基底14的筒壁悬挂于所述支撑体上。可以理解，所述支撑体16为一可选结构，所述生长基底14也可通过其他方式如粘帖的方式使部分表面直接固定于所述反应室13的管壁，并使的其他部分筒壁140悬空设置于反应室13中。

所述底面144为一封闭结构，从而使得从进气口11流入的反应气体贯穿所述筒壁140的表面流动。所述底面144的形状可为圆形、方向、矩形等，也可以为其他规则或不规则几何形状，可以根据所述筒壁140所围成结构的横截面进行选择。所述底面144大于等于所述筒壁140围成的面积，从而与所述筒壁140形成一半封闭的空间即可。所述底面144的面积可为0.5平方厘米至100平方厘米。本实施例中，其形状为一圆形，其面积为2厘米。所述底面144的材料材料可为能够形成几何形状且能耐高温的金属、半导体、非金属材料等，如金、不锈钢、石英或陶瓷等。本实施例中，所述底面144的材料为陶瓷。可以理解，所述底面144可通过支撑体16直接固定于所述反应室13的管壁上，而所述筒壁140的一端固定于所述底面144上，使得所述筒壁140的整体悬空设置于所述反应室13中。

所述筒壁140为一碳纳米管催化剂复合层，所述碳纳米管催化剂复合层为一自支撑结构。所述碳纳米管催化剂复合层包括一碳纳米管层以及分散于碳纳米管层表面的催化剂颗粒，所述碳纳米管层作为载体用于承载催化剂颗粒，具有多个微孔142，所述微孔142连通所述进气口11及所述出气口12，从而形成多个流通通道。进一步的，所述筒壁140由碳纳米管层组成。具体的，所述进气口11与所述出气口12沿所述反应室13长度方向分别设置于所述生长基底14的两侧。所述进气口11与所述生长基底14的开口146相对设置，通过所述开口146，从进气口11进入的气体可从所述进气口11直接通入所述生长基底14中。所述碳纳米管层为包括多个碳纳米管的连续的整体结构，该多个碳纳米管沿着基本平行于碳纳米管层表面的方向延伸。进一步，所述筒壁140可为纯碳纳米管组成的连续的整体结构。所述筒壁140的筒壁10纳米~100微米，如15纳米、200纳米、1微米。本实施例中，所述筒壁140的厚度为100纳米。所述筒壁140中的碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或多种，其长度和直径可以根据需要选择。

请一并参阅图3，所述筒壁140为一图形化结构，所述“图形化结构”是指所述筒壁140的碳纳米管层中具有所述多个微孔142，该多个微孔142从所述生长基底14的厚度方向贯穿所述筒壁140。所述微孔142可以为多个相邻的碳纳米管围成的微孔或者沿碳纳米管轴向延伸方向延伸呈条形的相邻碳纳米管之间的间隙。所述微孔142为微孔时其孔径（平均孔径）范围为5纳米~100微米，比如10纳米、1微米、10微米、50微米或90微米等。所述微孔142为间隙时其宽度（平均宽度）范围为5纳米~100微米。以下称为“所述微孔142的尺寸”是指孔径或间隙宽度的尺寸范围。所述筒壁140中所述微孔和间隙可以同时存在并且两者尺寸可以在上述尺寸范围内不同。所述间隙105的尺寸越小，越容易在后续的生长纳米材料的过程中，固定催化剂颗粒。优选地，所述微孔142的尺寸为5纳米~10微米。进一步地，所述筒壁140的占空比为1:100~100:1，如1:10、1:2、1:4、4:1、2:1或10:1。优选地，所述占空比为1:4~4:1。所述微孔142在所述筒壁140中均匀分布。

所述碳纳米管层具有如前所述的图形效果的前提下，所述碳纳米管层中的多个碳纳米管的排列方向（轴向延伸方向）可以是无序、无规则，比如过滤形成的碳纳米管过滤膜，或者碳纳米管之间相互缠绕形成的碳纳米管絮状膜等。所述碳纳米管层中多个碳纳米管的排列方式也可以是有序的、有规则的。例如，所述碳纳米管层中多个碳纳米管的轴向均基本平行于所述生长基底100的且基本沿同一方向延伸；或者，所述碳纳米管层中多个碳纳米管的轴向可有规律性地基本沿两个以上方向延伸。为了容易获得较好的图形效果，本实施例中优选的，所述碳纳米管层中多个碳纳米管沿着基本平行于碳纳米管层表面的方向延伸。

所述碳纳米管层为一自支撑结构，且在后续生长纳米材料的过程中能够承载催化剂颗粒。其中，所述“自支撑”是指该碳纳米管层不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身状态，即将该碳纳米管层置于（或固定于）间隔特定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管层能够悬空保持自身状态。由于碳纳米管层为自支撑结构，所述碳纳米管层可以直接设置在支撑体16上。所述碳纳米管层可以是一连续的整体结构，也可以是多个碳纳米管线平行排列形成的单层结构。当所述碳纳米管层为多个碳纳米管线平行排列形成的单层结构时，需要在垂直于平行排列方向上提供支撑才具有自支撑能力。进一步的，所述碳纳米管层的多个碳纳米管中在延伸方向上相邻的碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。当并列的相邻碳纳米管之间也通过范德华力相连时所述碳纳米管层的自支撑性更好。

所述碳纳米管层可以是由多个碳纳米管组成的纯碳纳米管结构。即，所述碳纳米管层在整个形成过程中无需任何化学修饰或酸化处理，不含有任何羧基等官能团修饰。所述碳纳米管层还可以为一包括多个碳纳米管以及添加材料的复合结构。其中，所述多个碳纳米管在所述碳纳米管层中占主要成分，起着框架的作用。所述添加材料包括石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、无定形碳等中的一种或多种。所述添加材料还可以包括金属碳化物、金属氧化物及金属氮化物等中的一种或多种。所述添加材料包覆于碳纳米管层中碳纳米管的至少部分表面或设置于碳纳米管层的微孔142内。优选地，所述添加材料包覆于碳纳米管的表面。由于，所述添加材料包覆于碳纳米管的表面，使得碳纳米管的直径变大，从而使碳纳米管之间的微孔142减小。所述添加材料可以通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等方法形成于碳纳米管的表面。

具体地，所述碳纳米管层可以包括碳纳米管膜或碳纳米管线或由碳纳米管膜及碳纳米管线构成。所述碳纳米管层可以为一单层碳纳米管膜或多个层叠设置的碳纳米管膜。所述碳纳米管层可包括多个相互平行且间隔设置的碳纳米管线。所述碳纳米管层还可以包括多个交叉设置组成网状结构的碳纳米管线。当所述碳纳米管层为多个层叠设置的碳纳米管膜时，碳纳米管膜的层数不宜太少，以能够更好的起到承载生长基底的作用。优选地，为2层~100层。当所述碳纳米管层为多个平行设置的碳纳米管线时，相邻两个碳纳米管线之间的距离为10纳米~100微米，优选地，为10纳米~10微米。所述相邻两个碳纳米管线之间的空间构成所述碳纳米管层的微孔142。相邻两个碳纳米管线之间的间隙长度可以等于碳纳米管线的长度。通过控制碳纳米管膜的层数或碳纳米管线之间的距离，可以控制碳纳米管层中微孔142的尺寸。

所述碳纳米管膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中多数碳纳米管之间通过范德华力相连而实现。本实施例中，所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向延伸。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

下面进一步说明所述碳纳米管膜或者碳纳米管线的具体构造、制备方法或处理方法。

请参阅图4及图5，所述碳纳米管层包括至少一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括多个连续且基本沿同一方向延伸的碳纳米管。进一步的，所述碳纳米管沿所述开口146到所述底面144的方向延伸。具体地，所述碳纳米管膜包括多个连续且定向延伸的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜可通过从一碳纳米管阵列中选定部分碳纳米管后直接拉取获得。所述碳纳米管膜的厚度为1纳米~100微米，宽度与拉取出该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。所述碳纳米管膜中相邻的碳纳米管之间存在微孔或间隙从而构成微孔142，且该微孔的孔径或间隙的尺寸小于10微米。优选地，所述碳纳米管膜的厚度为100纳米~10微米。该碳纳米管膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向延伸。所述碳纳米管膜及其制备方法具体请参见申请人于2007年2月9日申请的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B号中国公开专利“碳纳米管膜结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

请参阅图6，当所述碳纳米管层包括层叠设置的多层碳纳米管膜时，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向形成一交叉角度β，且β大于等于0度小于等于90度（0°≤β≤90°），如30度，60度，90度等。所述层叠设置的多层碳纳米管膜能够进一步提高所述碳纳米管层的自支撑性，防止碳纳米管层在使用的过程中变形，从而能够更好的防止团聚现象的发生。本实施例中，所述碳纳米管层包括两层层叠设置的碳纳米管膜，所述交叉角度β为90度。

所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线与扭转的碳纳米管线均为自支撑结构。所述碳纳米管线可通过支撑体16分别设置于碳纳米管线的两端，从而固定于所述反应室13中，且位于支撑体之间的部分保持悬空状态。具体地，请参阅图7，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿平行于该非扭转的碳纳米管线长度方向延伸的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转的碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图8，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋延伸的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线及其制备方法请参见申请人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利“一种碳纳米管绳及其制造方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司，以及于2005年12月16日申请的，于2009年6月17日公告的第CN100500556C号中国公告专利“碳纳米管丝及其制作方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司。

请一并参阅图9及图10，所述碳纳米管催化剂复合层包括多个催化剂颗粒，所述催化剂颗粒均匀分散且固定于所述碳纳米管层的表面形成一催化剂层15，由于所述筒壁140包括一碳纳米管层，所述催化剂颗粒可均匀分散于所述碳纳米管层中碳纳米管的表面，也可分散于所述碳纳米管之间的微孔142中。由于所述碳纳米管层具有多个微孔142，因此所述催化剂颗粒可嵌入所述微孔142中，从而得到有效的固定。所述催化剂层15包括多个催化剂颗粒，所述催化剂颗粒的尺寸为5纳米～10纳米。请一并参阅图11，可以理解，当所述催化剂颗粒的尺寸大于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒的部分表面可嵌入所述微孔142中得到有效固定；当所述催化剂颗粒的尺寸与所述微孔142的尺寸基本相等时，所述催化剂颗粒可整体嵌入所述微孔142中被牢固固定；当所述催化剂颗粒的尺寸小于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒在所述碳纳米管的吸附作用下吸附于所述碳纳米管的表面得到固定。本实施例中，所述催化剂层15为铁纳米颗粒，沉积厚度约为5nm，所述催化剂颗粒的尺寸为8纳米。

本发明进一步提供一种所述反应器10作为生长装置的应用，主要包括以下步骤：

步骤（S11），提供一反应器10；

步骤（S12），在所述筒壁140的表面形成一催化剂层15；

步骤（S13），向所述反应室13内通入碳源气与载气的混合气体；

步骤（S14），加热所述筒壁140以生长碳纳米管。

下面结合图8及图9详细说明各步骤。

在步骤（S12）中，在筒壁140表面上采用电子束蒸发法、热沉积或溅射法等方法形成厚度为几纳米到几百纳米的金属催化剂层15，其中催化剂层15可为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其合金之一。具体的，所述催化剂颗粒均匀分散且固定于所述筒壁140的表面，由于所述筒壁140包括一碳纳米管层，所述催化剂颗粒可均匀分散于所述筒壁140中碳纳米管的表面，也可分散于所述碳纳米管之间的微孔142中。由于所述碳纳米管层具有多个微孔142，因此所述催化剂颗粒可嵌入所述微孔142中，从而得到有效的固定。可以理解，当所述催化剂颗粒的尺寸大于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒的部分表面可嵌入所述微孔142中得到有效固定；当所述催化剂颗粒的尺寸与所述微孔142的尺寸基本相等时，所述催化剂颗粒可整体嵌入所述微孔142中被牢固固定；当所述催化剂颗粒的尺寸小于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒在所述碳纳米管的吸附作用下吸附于所述碳纳米管的表面得到固定。本实施例中，所述催化剂层15为铁纳米颗粒，沉积厚度约为5nm，所述催化剂颗粒的尺寸为8纳米。

在步骤（S13）中，所述混合气体从所述反应室13的进气口11通入所述反应室13中。所述混合气体通入所述反应室13后，受底面144的阻挡，沿基本垂直于所述筒壁140的方向贯穿所述筒壁140。具体的，所述混合气体通过所述微孔142贯穿所述筒壁140。所述混合气体从所述进气口11通入所述反应室13中，同时，所述混合气体以基本相同的流速从所述反应室13的出气口12流出所述反应室13。这样可保持碳源气体在反应室13内处于流动状态，反应室13内参加反应的碳源气体会得到及时的更新以使其浓度基本维持不变，且所述碳源气体的流动方向贯穿所述催化剂层15及所述筒壁140，从而能够使所述碳源气体能与所述催化剂颗粒充分接触，可生长出高品质的碳纳米管。并且，由于所述催化剂层15中的催化剂颗粒固定于所述筒壁140的表面，因此，在通入混合气体的过程中，所述混合气体的流动基本不会影响所述催化剂颗粒的分布，从而能够有效的避免所述催化剂颗粒团聚的情况，防止催化剂颗粒因团聚而失活。由于碳纳米管的生长速度正比于催化剂层15与反应室13的温度差，可以通过调整碳源气的流速以及筒壁140的温度以控制催化剂的温度。因此反应室13内的流速及气压可根据所要生长的碳纳米管的生长速度等进行设定、控制，只要保证所述气压不会破坏所述筒壁140即可。

所述载气可采用氩气，也可为氮气或其它不与后续通入的碳源气体发生反应的气体。所述碳源气体可为乙烯，也可为甲烷、乙烷、乙炔或其它气态烃类。本实施例中，碳源气体乙烯以1000sccm (Standard Cubic Centimeters Minute)的流速通入反应室13中。

在步骤（S14）中，所述反应室13可通过一加热装置（图未示）进行加热，只要保证所述反应室13的温度能够达到碳纳米管的生长温度即可。本实施例中，所述反应室13可通过向所述筒壁140通入电流的方式加热所述反应室13。具体的，所述反应器10进一步包括一第一电极172及一第二电极174分别与所述筒壁140电连接，具体的，所述第一电极172与所述第二电极174间隔设置于所述筒壁140中筒壁140表面。所述第一电极172与所述第二电极174与所述电源17电连接，从而向所述筒壁140中通入电流。本实施例中，所述第一电极172为靠近开口146设置的环状电极，所述第二电极174为靠近所述底面144设置的环状电极。

通过向第一电极172与第二电极174之间施加一电压，在筒壁140中通入电流，加热所述筒壁140，使所述筒壁140的温度达到碳纳米管的生长温度。第一电极172与第二电极174之间施加的电压与两导电基体之间的距离以及筒壁140中碳纳米管的直径相关。本实施例中，筒壁140中的碳纳米管的直径为5微米，在第一电极172与第二电极174之间施加一40伏特的直流电压。筒壁140在焦耳热的作用下加热到温度为500℃至900℃，反应时间为30～60分钟，在筒壁140的表面生长碳纳米管。而此时反应室13内其他部分的温度仅为40～50摄氏度。

进一步的，在所述筒壁140通入电流加热的过程中，可通过一加热装置（图未示）对所述反应室进行加热以提高碳纳米管的生长速度。对筒壁140通入电流一定时间后，停止加热，然后停止通入气体。

本发明中所述的反应器10具有以下有益效果：第一，由于所述生长基底14为一筒状结构，因此可充分的利用反应室13内的有限空间；第二，所述筒壁140中的碳纳米管性质稳定，不会与催化剂进行反应；第三，所述筒壁140中的碳纳米管具有较大的比表面积，因此所述筒壁140具有良好的吸附能力，无需其他粘结剂就可以牢固的固定沉积于所述筒壁140表面的催化剂颗粒；第四，所述碳纳米管层具有多个微孔，从而使得后续沉积的催化剂颗粒能够有效的嵌入所述碳纳米管层中，能够更加有效的固定沉积于的催化剂颗粒，防止其团聚，从而能够有效的防止催化剂层失活；第五，由于所述碳纳米管层具有良好的电热转换能力，因此能够直接通过向所述碳纳米管层通入电流的方式，加热所述筒壁140，无需单独设置加热元件，简化了反应器的结构，降低了成本。

请参阅图12，本发明第二实施例提供一种反应器20，所述反应器20包括一反应室13，及一生长基底14设置于所述反应室13中。该反应器20具有一进气口11及一出气口12间隔设置于所述反应室13相对的两端。所述生长基底14为一筒状结构，包括多层间隔设置的筒壁140、一底面144以及与底面144相对设置的开口146，所述多层间隔设置的筒壁140与所述底面144形成一半封闭空间。本发明第二实施例提供的反应器20与第一实施例所述反应器10基本相同，其不同在于，所述反应器20中，所述生长基底14包括多层间隔设置的筒壁140。

请一并参阅图13，所述多层间隔设置的筒壁140中，每一层筒壁140均与可与所述底面144形成一半封闭空间，所述多层筒壁140以套设的方式间隔设置，即一层筒壁140围绕内部的另一层筒壁140设置，依次类推。所述相邻筒壁140之间的距离可相等或不等。当所底面144的开口146为一规则几何形状时，所述多层筒壁140可沿所述开口146的中心轴同轴设置。本实施例中，所述底面144包括两层筒壁140同轴且间隔设置，每一层筒壁140在沿轴心轴方向上的横截面均为一圆形。两层筒壁140之间的距离可为0.5厘米至2厘米。

在应用所述反应器20生长碳纳米管的过程中，所述催化剂颗粒可设置于所述每层筒壁140的表面，所述混合气体从所述进气口11通入所述反应室13中，并通过所述开口146进入生长基底14内部，依次贯穿所述多个筒壁140后，从所述出气口12流出所述反应室13。由于所述生长基底14包括多个间隔设置的筒壁140，因此可充分利用所述碳源气体，例如与第一层筒壁140表面的催化剂颗粒未反应的碳源气体，可再与所述第二层筒壁140表面的催化剂颗粒进行反应，使所述碳源气体得到充分的分解，进而能够有效的提高产率，并降低生长成本。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (21)

1.一种反应器，其包括：

一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口；

一生长基底，所述生长基底设置于反应室内，位于所述进气口及出气口之间；

其特征在于，所述生长基底为一筒状结构，该筒状结构一端开口一端封闭，所述筒状结构的开口面向所述进气口设置，所述筒状结构的筒壁为一碳纳米管催化剂复合层，该碳纳米管催化剂复合层具有多个微孔，从进气口通入的反应气体进入所述筒状结构的开口后穿过所述碳纳米管催化剂复合层的多个微孔流向所述出气口。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述筒状结构的开口正对所述反应室的进气口。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述生长基底的中心轴沿着所述气流方向设置。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述生长基底为一直筒结构，所述生长基底的中心轴沿进气口向出气口方向延伸。

5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂复合层包括一碳纳米管层以及催化剂颗粒均匀分散于所述碳纳米管层表面。

6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管层作为载体以承载催化剂颗粒。

7.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒固定于所述碳纳米管层中碳纳米管的表面。

8.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒嵌入碳纳米管层的微孔中。

9.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒的尺寸为5纳米～10纳米。

10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管层为一自支撑结构，所述自支撑结构的碳纳米管层包括多个均匀分布的碳纳米管。

11.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管层具有多个微孔，该多个微孔沿所述碳纳米管层的厚度方向贯穿所述碳纳米管层。

12.如权利要求11所述的反应器，其特征在于，所述微孔的尺寸为5纳米至10微米。

13.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管层包括至少一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜中包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管。

14.如权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管层包括至少两层重叠设置的碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜中，碳纳米管的延伸方向形成一夹角，所述夹角大于零度小于等于90度。

15.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述生长基底包括多层筒壁以套设的方式间隔设置。

16.如权利要求15所述的反应器，其特征在于，所述多层筒壁同轴设置。

17.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，进一步包括第一电极与第二电极与所述碳纳米管催化剂层电连接。

18.一种采用反应器生长碳纳米管的方法，包括以下步骤：

提供一如权利要求1至17中任意一项所述的反应器；

向所述反应室内通入碳源气体与载气的混合气体；

加热所述反应室以生长碳纳米管。

19.如权利要求18所述的采用反应器生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述催化剂层通过电子束蒸发法、热沉积或溅射法的方法形成。

20.如权利要求18所述的采用反应器生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述混合气体从所述开口流入所述生长基底并沿垂直于所述筒壁的方向贯穿所述筒壁。

21.如权利要求18所述的采用反应器生长碳纳米管的方法，其特征在于，通过向所述碳纳米管催化剂层通入电流的方式加热。