CN104986753A - 超长碳纳米管及其制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超长碳纳米管及其制备方法和装置，属于纳米材料制备技术领域。该制备方法包括：1)、将含Fe、Mo、Co、Cu或Ni的催化剂负载于生长基底后置于反应器中，在反应器中通入惰性气体与氢气的混合气体；2)、将通入有混合气体的反应器在惰性气体的保护下加热至800～1200℃，再将由碳源气体与载气组成的混合气体通入到反应器中进行反应；其中，载气为氢气与氦气、氩气和氖气中的至少一种组成的混合气体；3)、反应结束后向反应器中通入惰性气体与氢气组成的混合气体，并将反应器降温至400℃以下，得到超长碳纳米管。该方法及其装置通过特定的工艺条件以及特殊的反应器结构实现了大面积超长碳纳米管的直接制备。

Description

超长碳纳米管及其制备方法和装置

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体而言，涉及一种超长碳纳米管及其制备方法和装置。

背景技术

碳纳米管是一种具有中空管状结构的高长径比特殊碳纳米材料，可以看做是由二维石墨烯沿一定方向卷曲而成，不同的旋转轴方向使得形成的碳纳米管具有不同旋光性和手性参数，不同层数的石墨烯旋转会得到不同壁数的碳纳米管。凭借其独特的中空管状结构和优异的力学、热学、电学和光学性能，碳纳米管在化学、化工、物理、生物、医学、环境等学科领域也逐渐凸显出它的优势。麦肯锡管理咨询公司研究分析了多项技术对未来经济的影响程度，认为碳纳米管等先进材料将成为2025年颠覆性技术。

经过对碳纳米管接近20年的理论和实际生产研究，关于其制备方法及批量化生产已经有了较为成熟的认识，在对其结构控制，包括手性、直径、方向等方面也取得了极大的突破。碳纳米管按其结构形态可分为聚团状、垂直阵列状和超长水平阵列状碳纳米管。目前，聚团状和垂直阵列状碳纳米管已通过流化床生产方法实现大规模批量化生产，但其结构缺陷较多且纯度不高，无法充分体现碳纳米管理论上的优异性能。

超长水平阵列碳纳米管长度可达到厘米级甚至米级且相邻两根碳纳米管之间距离较远，其生长过程遵循自由生长原理，缺陷密度低，结构完美，最能体现碳纳米管理论上的优异性能，在超强纤维和场效应晶体管等领域具有重要应用，并有望取代硅迎来碳基集成电路的时代。

目前，现有技术中，应用最为广泛的制备超长碳纳米管的方法是基于化学气相沉积法，在插入管式炉内的石英管中通入某种碳源，利用碳源在高温下裂解成碳原子，并在基底表面负载的催化剂的催化作用下重新组装成碳纳米管。然而，超长碳纳米管的生长窗口十分小，对生长条件的要求非常苛刻，同时也需要有稳定的流场和恒定的温度场。尽管目前超长碳纳米管在长度上已达到半米，催化剂活性概率0.995，但这仅仅是单根碳管个体现象，还无法保证生长基底上全部碳管都能达到米级长度并具有完美结构。要想在此基础上再次实现碳纳米管生长方面的突破，须对其生长条件进行更为严格的控制。

此外，在传统制备方法中，管式炉炉膛恒温区长度总小于炉膛实际长度，并且很容易受到外界环境温度的干扰，这会对碳纳米管生长过程中的温度场造成一定影响。此外，平整的生长基底在石英管内处于圆管割线位置，这会对气流产生一种切割作用，使上下表面均有气流通过，干扰反应过程的气流场。更重要的是，用这种制备方法，超长碳纳米管的产量会受到基底尺寸的限制，而基底最大宽度取决于石英管直径，因此，往往只能制得小规格、低产量的超长水平阵列碳纳米管。尽管有时为了满足制备需要，可以靠提高石英管直径的方法，但这同时会增加管式炉加工制作成本。可见，为了进一步实现超长碳纳米管在生长制备方面的突破并满足超长碳纳米管不断增加的需求量，改进碳纳米管的制备条件或反应装置以实现直接制备大面积超长水平阵列碳纳米管是十分有必要的。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种超长碳纳米管的制备方法，该方法通过优选催化剂，原料气体和载气等，且通过控制反应的温度、降温温度以及反应前后不同气体的加入等工艺条件，从而实现了超长碳纳米管的制备。

本发明的第二目的在于提供一种实现超长碳纳米管的制备方法的装置，该装置通过设定流体的流向，并尽可能地使得流体稳定流动，且该装置含有多个流体通道，从而可便于放置多个生长基底，为实现大面积超长碳纳米管的直接制备提供了保障。

本发明的第三目的在于提供上述的制备方法制成的超长碳纳米管，以实现其在化学、化工、物理、生物、医学、环境等学科领域的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种超长碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

1)、将含Fe、Mo、Co、Cu或Ni的催化剂负载于生长基底后置于反应器中，在所述反应器中通入惰性气体与氢气的混合气体；

2)、将通入有混合气体的反应器在惰性气体的保护下加热至800～1200℃，再将由碳源气体与载气组成的混合气体通入到所述反应器中进行反应；

其中，所述载气为氢气与氦气、氩气和氖气中的至少一种组成的混合气体；

3)、反应结束后向所述反应器中通入惰性气体与氢气组成的混合气体，并将反应器降温至400℃以下，得到超长碳纳米管。

该方法中，首先将含Fe、Mo、Co、Cu或Ni的催化剂负载于生长基底，然后再将其置于反应器中准备加热。为了安全起见以及满足还原反应的需求，在反应器中通过惰性气体与氢气的混合气体，在加热反应器的过程中，需要将反应器在惰性气体的保护下(具体可为向加热装置中通入惰性气体，至可燃气体极限氧浓度以下，该操作一般先于向反应器中通入惰性气体的操作)进行。待保护气体通入完毕后，对反应器进行加热至800～1200℃，以发生还原反应，然后再向反应器中通入碳源气体与载气组成的混合气体，该混合气体在高温以及催化剂(在该温度下，催化剂以纳米颗粒的形式存在并参加反应)的作用下，碳源气体在该高温下被裂解成碳原子，并在催化剂的作用下重新组装成碳纳米管。反应结束后，为了防止碳纳米管在降温过程中被烧蚀，向反应器中通入惰性气体与氢气组成的混合气体，并将反应器降温至400℃以下，即可得到超长碳纳米管。该方法中，由于工艺条件设置合理，利于碳纳米管的生长，从而实现超长碳纳米管的制备。

可选的，在步骤2)中：所述碳源气体包括甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、丙烯和一氧化碳中至少一种。

碳源气体在高温条件下，会裂解为碳原子，从而实现重新组装，而优选的，考虑到来源，成本，安全，以及是否与载气易于混合等因素，碳源气体优选甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、丙烯和一氧化碳等，其中以甲烷为最优选。

可选的，在步骤1)中：所述催化剂为Fe、Mo、Co、Cu或Ni的单一金属或金属合金；所述负载的方式包括按压、光刻蚀、旋涂、蒸镀和管壁预沉积中的至少一种。

一般而言，催化剂在负载的过程中是以溶液的形式负载于生长基底的。然而，在高温下，即800～1200℃，其有效成分则以纳米颗粒的形式存在，因此，催化剂的条件较为宽泛，其为Fe、Mo、Co、Cu或Ni的单一金属或金属合金，且为了能够使其方便、稳定地负载于生长基底，优选地负载方式包括按压、光刻蚀、旋涂、蒸镀和管壁预沉积等。

可选的，在步骤2)中：

由碳源气体与载气组成的混合气体中，硫化物以及与砷化物的含量均小于0.3μL/L；且载气中的氢气与碳源气体的体积比为1.2～4.8；所述加热的过程中，升温的速率为10～80℃/min；所述反应的过程中的压力波动变化小于1帕；所述反应的时间为8～35min。

在上述工艺条件下，砷化物和硫化物其含量小，进而不会造成催化剂中毒，从而保证了碳纳米管的顺利生成；而氢气与碳源气体的体积比的设定进一步地使得裂解和还原反应发生完全，10～80℃/min的升温速度，使得整个体系温度变化呈良性，利于顺利发生还原反应。此外，整个反应中，压力波动变化小于1帕；反应的时间为8～35min；从而使得气流流场平稳，压力和温度较恒定，且时间充裕，利于碳纳米管顺利生长。此外，由于水蒸汽在反应中可起消炭和分压作用；因此，优选地，其摩尔百分含量可控制在0.2～0.8％。

可选的，在步骤1)中：所述生长基底的材质为硅、石英、蓝宝石、氧化铝或氧化镁。

生长基底应采用一些耐高温，且不易发生反应的材质制成，优选地如以硅、石英、蓝宝石、氧化铝或氧化镁等制成的片状基底。

实现所述超长碳纳米管的制备方法的装置，包括：反应器和用于加热所述反应器的加热装置；

所述反应器包括进气管、反应腔体和生长基底；所述反应腔体内设置有能够将该反应腔体分隔为多个互相平行且相通的流体通道的分隔板；

所述进气管的一端伸入至流体通道内并与所述反应腔体的内侧壁相抵，且伸入至所述流体通道内的进气管的管壁上设置有一排通孔；

所述生长基底设置在所述分隔板上，且所述反应腔体的端部设置有用于将所述生长基底取/放的端口。

本发明提供的反应装置，其主要包括反应器和用于将反应器加热的加热装置。其中，反应器包括进气管、反应腔体和生长基底；而反应腔体被分隔板分隔为多个互相平行且相通的流体通道(一般而言，流体通道沿着反应腔体的长度方向设置，且多个流体通道上下排布)，这样可保证从进气管进入的气体(具体从处于流体通道内的进气管的管壁上的通孔排出)能够在多个流体通道内流动；并且与设置在分隔板且负载有催化剂的生长基底接触；当反应器被加热装置加热时，即可生成碳纳米管；反应腔体的端部设置的端口可以实现生长基底在反应前后的取、放。因此，该装置其可以实现大面积生长基底的放置(调整反应腔体的尺寸)，而且由于流体通道采用上下层叠的多层结构，非常便于放置多个生长基底，可以实现超长碳纳米管在大面积基底上直接生长。

可选的，所述反应腔体为方形，所有流体通道沿着所述反应腔体的长度方向设置，相邻两个流体通道的折流区为弧形；所有所述流体通道的宽高比为8～15。

反应腔体中的流体通道，其沿着方形反应腔体的长度方向设置，而且每相邻的两个流体通道的折流区(即连通部位)为弧形(反应箱体的内壁结构)，这样可保证气流运动的平稳性，利于碳纳米管的顺利生成。而流体通道的宽高比为8～15，可以保证流体通道内的气体流量。

可选的，处于所述反应腔体的进气管平行于所述反应腔体的宽度方向，且该部分进气管内设置有多孔栅板；

所述多孔栅板与设置有所述通孔的管壁(具体而言，将该进气管沿其直径轴向剖切且得到两个等截面的半圆柱，该管壁为设置有通孔的一半)围成的空间内设置有石英棉填料。

通过多孔栅板(可类似看做将处于反应腔体内的进气管延其轴线横切，形成两个半圆柱空间)以及石英棉填料后，可以保证从进气管进入的气流在反应器的截面能够均匀分布；除此之外，还可利用节流分布板、毛细管簇或栅等替代多孔栅板。

可选的，所述反应器的材质为石英、氮化硅或刚玉；和/或所述加热装置为管式炉、后壁开有进气管口的半封闭式马弗炉或全封闭式马弗炉。

所述的制备方法制成的超长碳纳米管。

此外，对于该反应装置，进一步优选地，进气管为长1～5m，内径Φ5～30mm，壁厚1～3mm的管状体；流体通道的平整度误差小于0.5mm；而且为了使得从进气管输入的气流在流体通道内更加均匀稳定地分布，可在弯角部分的进气管(伸入反应腔体内部的部分)设置一个带焊封且能够使得气流通过的隔板，该隔板与进气孔上的一排通孔相对。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)、通过优选特定的催化剂、反应气体、反应温度和时间和压力等工艺参数，并维持较为恒定的反应条件，使得碳纳米管易于生成，满足了超长碳纳米管的生成需求。

(2)、通过特定的反应装置，从气流的平稳性、均匀分布等为出发点，而且设定的多个流体通道可实现多个大面积生长基底的设置，从而为大面积超长碳纳米管的制备提供了保障。

(3)、由于生长基底是平放在分隔板上的，所以生长基底不对气流产生切割作用，仅仅使生长基底的上表面有气流通过，不会干扰反应过程的气流场。

(4)、通过方形的反应腔体，以及设置的多个流体通道，克服了现有技术中，碳纳米管的产量会受到生长基底尺寸的限制(生长基底最大宽度取决于石英管直径，往往只能制得小规格、低产量的超长水平阵列碳纳米管)的缺陷。

(5)、与现有技术相比，本发明给出制备大面积超长水平阵列碳纳米管的具体工艺条件，利用此工艺条件设计的反应装置和控制方案，不仅改善了碳纳米管的生长状况，更重要的是，该反应装置可直接放入多片大面积生长基底，实现超长水平阵列碳纳米管在大面积基底上直接制备的目标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的实现超长碳纳米管制备的装置结构示意图；

图2为本发明提供的实现超长碳纳米管制备的装置实物图；

图3为本发明实施例1提供的用小片生长基底实现超长碳纳米管生长的SEM图像结果；

图4为本发明实施例2提供的用7×5cm硅片制备超长碳纳米管的生长基底放置及结果示意；

图5为本发明提供的方法实现超长碳纳米管生长的SEM图像结果。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

对于本发明提供的用于实现超长碳纳米管的制备装置，在具体实施的过程中，具有以下结构：

请参考图1和图2，该装置包括：反应器和用于加热所述反应器的加热装置；反应器包括进气管101、反应腔体102和生长基底103；反应腔体102内设置有能够将该反应腔体102分隔为多个互相平行且相通的流体通道105的分隔板104；

进气管101的一端伸入至流体通道105内并与反应腔体102的内侧壁相抵，且伸入至所述流体通道105内的进气管101的管壁上设置有一排通孔106；

所述生长基底103设置在所述分隔板104上(由于生长基底103是平放的，所以生长基底103不对气流产生切割作用，仅仅使生长基底103的上表面有气流通过，不会干扰反应过程的气流场)，且所述反应腔体102的端部设置有用于将所述生长基底103取/放的端口108。

进一步地，为了实现配合气相色谱在线或离线检测的效果，在反应腔体102的一侧还设置有导引气流出管201。

在进一步的技术方案中，优选的，反应腔体102(外形)为方形，所有流体通道105沿着所述反应腔体102的长度方向设置，相邻两个流体通道105的折流区为弧形(以保证流体能够顺利折流)；所有流体通道105的宽高比为8～15。

另外，为了使得从进气管101的通孔106进入流体通道105的气流稳定且均匀地分布于流体通道105内，优选地，处于反应腔体102的进气管101平行于反应腔体102的宽度方向，且该部分进气管101内设置有一多孔栅板；多孔栅板与设置有通孔106的管壁围成的空间内设置有石英棉填料。这样，通过孔栅板和石英棉填料可以将通入流体通道105的气流均匀分布，使其稳定地在流体通道105内流动，从而保证碳纳米管的稳定生长。

此外，反应器应该满足耐热需求，其在高温下应该性质稳定，而且加热装置应便于实现对反应器的加热，而且其参数以及工艺条件应当易于控制，基于以上原因，在进一步的技术方案中，反应器的材质为石英、氮化硅或刚玉；和/或加热装置为管式炉、后壁开有进气管101口的半封闭式马弗炉或全封闭式马弗炉。在具体使用的过程中，优选采用大型高控温精度马弗炉，该加热装置可延长恒温区长度，确保反应过程温度的均匀性。

需要指出的是，在本发明提供的制备装置中，反应器其结构多样，可具有多层流体通道105，也可只具有两层流体通道105，流体通道105层数的选择取决于所要制备的超长碳纳米管的数量。

例如，当反应器中的反应腔体102内只包括一个分隔板104时，则对应有上、下两个流体通道105，而进气管101的一端(一般而言，伸入部分靠近反应腔体102的其中一个端部)则伸入至底层的流体通道105内；分隔板104的一端设置在反应腔体102的侧壁上，另一端则与相应的反应腔体102侧壁存在间隙；生长基底103则放置在分隔板104上(为了便于取放，可以放置在一个耐高温基板后再放置到分隔板104)，从进气管101通入的气流在底层的流体通道105流动后，经过折流区进入顶层的流体通道105内，并且与负载有催化剂107的生长基底103接触并发生反应；而端口108则设置在顶层流体通道105的尾部(反应腔体102侧部上端)。反应的过程中端口108是封闭的，反应结束后，打开端口108，并将基底从端口108取出。

在特殊情况下，分隔板104为多个时，则对应设置多个端口108，且所有的折流区应交错设置在反应腔体102的两个端部。这样，多个分隔板104可以设置多个生长基底103，满足大面积制备超长碳纳米管的要求，此外，生长基底103上负载的催化剂107优选与气流的流向相对。

接下来对本发明提供的超长碳纳米管的制备方法举出以下具体的实施例。

实施例1用小规格生长基底制备超长碳纳米管

请参考图1和图2，反应装置如上所述，反应器采用双层流体通道105结构；即整个反应器包括预热区(主要包括进气管101和伸入反应腔体102的弯角部分)、整流区(弯角部分、带焊缝隔板109)、生长区(生长基底103和催化剂107)、恒温区(整流区和生长区之间部分)、出口区(端口108)。

反应器的管壁由化学性质稳定、耐高温材料制成，如石英、氮化硅或刚玉等。所述预热区为一长度1～5m，内径Φ5～30mm，壁厚1～3mm的管状体。所述管状预热区插入大面积流体通道105的下层通道，并与下层通道上下壁面相切。大面积流体通道105宽高比为8～15，表面平整度误差小于0.5mm。

伸入反应腔体102内的进气管101部分，其管内插入一多孔栅板，多孔栅板结构如图1中b-b方向视图所示，多孔栅板孔径为Φ3～5mm，多孔栅板与设置有通孔106的管壁围成的空间内(即被栅板分隔的进气管101预热区面向气流流动的半圆柱形空间内)设置有石英棉填料。进气管101壁面上的通孔106的孔径取决于反应器尺寸及气体流量，其应满足流体通道105流动压降为过孔压降的10～50％，

为了使气流进一步分布均匀，进气管101面向气流流动方向的前方10～50mm处设置一带狭缝的隔板，其结构特征如图1中a-a方向视图。恒温区(生长基底103与待焊缝的隔板109之间的部分)长度大于600mm。上下层流体通道105半圆弧形折流区连接上下层通道，曲率半径取决于流体通道105高度(曲率半径与流体通道105截面高度一致)。

制备方法：

S11：将浓度为0.03mol/L的FeCl₃的乙醇溶液按压在硅片(生长基底)的一端，硅片尺寸为1.5×2cm。然后将硅片放置在石英基板上，并通过端口送入反应器中，并将反应器放置于大型马弗炉中，反应器的端口用一磨砂活塞塞住。

S12：向大型马弗炉炉膛内通入Ar至出口氧浓度降至碳源和氢气极限氧浓度以下，流量为300L/h。

对氧浓度的监测采用带有自动报警功能的氧浓度分析仪，当氧浓度高于报警范围时，应加大氩气流量，低于报警范围时可采用较低流量以节省原料。设定报警值应考虑预留一定安全值。

S13：向进气管中通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H₂＝1:2，v/v)作为保护性气体，并开始升温，当温度升至900～1010℃后，恒温20min(在恒温的过程中，该温度波动小于1℃)。接着进入反应阶段，通入150sccm甲烷和氢气混合气(H₂：CH₄＝2:1，v/v)，反应时间持续30min后(在反应的过程中，权衡热力学和产物性质影响，反应全程应维持恒正压操作，并控制压力波动范围<±1Pa)进入冷却阶段。改通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H₂＝1:2，v/v)防止碳管在降温过程被烧蚀。

其中，由碳源气体与载气组成的混合气体中，硫化物以及与砷化物的含量均小于0.3μL/L；且在加热的过程中，升温的速率为10～80℃/min；在反应的过程中的压力波动变化小于1帕，通过上述的温度，时间，压力以及反应器结构的设定，可以使得气流的径向扰动<±3mm，利于超长碳纳米管的生长。

S14：当温度降至400℃以下后，取出样品，进行SEM表征，表征结果如图3所示。

实施例2用大面积硅片批量化制备超长碳纳米管

本实施例所用的反应装置和实施例1一致，在此不作赘述。

制备方法：

S21：用硅片刀裁取两片规格为7×1cm的长条硅片，将浓度为0.03mol/L的FeCl₃的乙醇溶液按压在其中一片硅片基底表面，另一片无负载催化剂。

S22：取规格为7×5cm的大片硅片置于两长条硅片中间，负载有催化剂107的硅片位于气流起始端。此三片硅片构成一组，在石英基板上放置三组，然后将此石英基板送入反应器中，反应器放置于大型马弗炉中，反应器端口用磨砂活塞塞住。

S23：与步骤S12一致，在此不作赘述。

S24：向进气管中通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H₂＝1:2，v/v)作为保护性气体，并开始升温，当温度升至900～1010℃后，恒温20min。进入反应阶段，通入180sccm甲烷和氢气混合气(H₂：CH₄＝2:1，v/v)，反应时间持续30min后进入冷却阶段，通入200sccm的氩气和氢气的混合气(Ar:H₂＝1:2，v/v)防止碳管在降温过程被烧蚀。

S25：温度降至400℃以下后，取出样品，对每组中两长条硅片进行SEM表征。

图4为硅片在石英基板上的摆放位置关系及其中一组表征结果，其他两组结果与之类似。在图4中，4-1为7×5cm硅片，4-2和4-3分别为7×1cm的小硅片；由下方无负载催化剂的小片硅片SEM结果可见，该硅片上仍有较多碳管，说明在7×5cm硅片上制得大量超长碳纳米管并有多根长度延至下方1cm宽的小硅片上，长度至少为6cm。此外，下方硅片SEM结果显示，碳管取向较乱，这是由于下方硅片与中间大面积硅片并非一个整体，当两片各自取走时，碳管因外界干扰而错乱排列。

实施例3

在该实施例中，与实施例1不同的是，碳源使用乙醇，催化剂采用CuCl₂的乙醇溶液，氩气采用氦气替换，加热反应终温度为800℃，降温结束后，实现了超长碳纳米管的制备，结果可参考图5。

实施例4

在该实施例中，与实施例1不同的是，碳源气体采用一氧化碳，催化剂采用Fe(CO)₅的乙醇溶液，氩气采用氙气替换，加热反应终温度为1100℃，且加热的速率为80℃/min，降温结束后，实现了超长碳纳米管的制备。

对比例1

反应装置如CN201010586433.1所记载的石英管反应器，制备过程的参数与实施例2记载的制备方法中一致。结果发现，由于生长基底难以设置，且受限于石英管的管径，而且由于生长基底悬空设置，对气流产生了切割作用，其很难满足大面积制备超长碳纳米管的要求，因此，该石英管反应器无法大面积制备超长碳纳米管。

综上所述，本发明提供的这种超长碳纳米管的制备方法和装置，其通过对反应原料，温度，升温速度，原料纯度，反应时间等参数的控制，结合其特定反应器，实现了多个生长基底同时发生反应的效果，进而也实现了直接制备大面积超长碳纳米管的技术效果。克服了现有技术中通过增加石英管反应器的直径造成的成本增加且反应不稳定等技术缺陷。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种超长碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、将含Fe、Mo、Co、Cu或Ni的催化剂负载于生长基底后置于反应器中，在所述反应器中通入惰性气体与氢气的混合气体；

2)、将通入有混合气体的反应器在惰性气体的保护下加热至800～1200℃，再将由碳源气体与载气组成的混合气体通入到所述反应器中进行反应；

其中，所述载气为氢气与氦气、氩气和氖气中的至少一种组成的混合气体；

3)、反应结束后向所述反应器中通入惰性气体与氢气组成的混合气体，并将反应器降温至400℃以下，得到超长碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中：所述碳源气体包括甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、丙烯和一氧化碳中至少一种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中：所述催化剂为Fe、Mo、Co、Cu或Ni的单一金属或金属合金；所述负载的方式包括按压、光刻蚀、旋涂、蒸镀和管壁预沉积中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中：

由碳源气体与载气组成的混合气体中，硫化物以及与砷化物的含量均小于0.3μL/L；且载气中的氢气与碳源气体的体积比为1.2～4.8；所述加热的过程中，升温的速率为10～80℃/min；所述反应的过程中的压力波动变化小于1帕；所述反应的时间为8～35min。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中：所述生长基底的材质为硅、石英、蓝宝石、氧化铝或氧化镁。

6.实现权利要求1-5任一项所述超长碳纳米管的制备方法的装置，其特征在于，包括：反应器和用于加热所述反应器的加热装置；

所述反应器包括进气管、反应腔体和生长基底；所述反应腔体内设置有能够将该反应腔体分隔为多个互相平行且相通的流体通道的分隔板；

所述进气管的一端伸入至流体通道内并与所述反应腔体的内侧壁相抵，且伸入至所述流体通道内的进气管的管壁上设置有一排通孔；

所述生长基底设置在所述分隔板上，且所述反应腔体的端部设置有用于将所述生长基底取/放的端口。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述反应腔体为方形，所有流体通道沿着所述反应腔体的长度方向设置，相邻两个流体通道的折流区为弧形；所有所述流体通道的宽高比为8～15。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，处于所述反应腔体的进气管平行于所述反应腔体的宽度方向，且该部分进气管内设置有多孔栅板；

所述多孔栅板与设置有所述通孔的管壁围成的空间内设置有石英棉填料。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述反应器的材质为石英、氮化硅或刚玉；

和/或；

所述加热装置为管式炉、后壁开有进气管口的半封闭式马弗炉或全封闭式马弗炉。

10.权利要求1-5任一项所述的制备方法制成的超长碳纳米管。