CN106379885A - 一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，该方法由催化剂还原活化及碳化反应两部分构成，其中催化剂还原活化部分在常规流化床反应器内进行，碳纳米管或石墨烯生长反应器由上下两段带环流的流化床组成。本发明采用两段环流流化床反应器可以有效提高反应器内部传热传质效率，加强气‑固接触效率，改善反应区域温度分布和浓度分布的均一性，有效避免碳管快速生长导致的反应区域温度分布和反应物浓度分布不均的问题；同时，还能够防止由于碳纳米管或石墨烯大颗粒聚集体的形成导致的流化状况恶化的问题。
Description
技术领域
本发明属于碳材料制备技术领域，涉及一种提高碳纳米管或石墨烯生产效率的方法。
背景技术
碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料是最近十年来碳材料领域的研究热点，因为其具有良好的导电性、物理化学稳定性和较高的机械强度，它们在导电添加剂、催化和复合增强增韧材料等方面具有良好的应用前景，成为近十年来研究的热点。
碳纳米材料得到广泛应用的前提是低成本批量技术的发展和成熟，目前在碳纳米管生产方面多采用气相化学沉积法，现有的技术提出的流化床反应器因温度分布特性和烃类气体高温裂解反应的吸热特性，不能高产量的生产碳纳米管。而气相化学沉积法制备石墨烯的过程还未实现工业化实施，尚未有高效、可大批量生产的装置和工艺流程的报道。因此，有必要提供一种新的反应装置及方法，来克服上述缺陷。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，由催化剂还原活化及碳化反应两部分构成，其中催化剂还原活化部分在常规流化床反应器内进行，碳化反应部分在碳化反应器内进行，所述的碳纳米管或石墨烯生长的碳化反应器由三部分构成：一段环流流化床、二段环流流化床以及沉降段。
优选的，所述的碳化反应器的两段环流流化床的内外筒半径比控制r/R＝0.3-0.8；内筒高径比控制l/r＝4-9；内外筒气体线速比控制2-4。
优选的，所述的还原活化流化床反应器温度为350-650℃，通入氢气与氮气或氩气的混合气体到还原活化反应器内，气体配比为氢气：氮气或氩气＝0.5-2.0，还原活化过程控制5-20min，气体的空塔线速为0.05-2.0m/s。
优选的，所述的碳化反应器的两段环流流化床的温度控制为550-750℃，两段环流流化床的内筒分布器和环隙分布器通入五碳以下低碳烃与氮气或氩气的混合气体，气体配比控制为碳源气体：氮气或氩气＝0.5-2，进行碳化反应40-90min。
优选的，所述的碳源是碳氢化合物、甲醇、乙醇或丙醇。
优选的，所述的反应完成后自出料口排出固相产品，碳化反应裂解气从碳化反应器顶部排出。
优选的，所述的催化剂是单相过渡金属或其合金，或含有上述金属或合金的有机化合物；所述的模板剂是氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化钙和氧化硅中的一种或一种以上的混合物，模版剂形态为粉体。
本发明有益效果：
本发明所述的流化床碳化反应器是碳纳米管或石墨烯生成的场所，是由上下两段带环流的流化床反应器，可有效提高反应器内部传热传质效率，加强气-固接触效率，改善反应区域温度分布和浓度分布的均一性，有效避免碳管快速生长导致的反应区域温度分布和反应物浓度分布不均的问题；同时，还能够防止由于碳纳米管或石墨烯大颗粒聚集体的形成导致的流化状况恶化的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，流程可见图1，简述如下：
该方法由催化剂还原活化及碳化反应两部分构成，其中催化剂还原活化部分在常规流化床反应器内进行，碳纳米管或石墨烯生长反应器的核心部分是由上下两段带环流的流化床组成。
将催化剂1送至还原活化流化床反应器101中，流化床的温度为350-650℃，通入氢气与氮气或氩气的混合气体2到反应器101内，气体配比为氢气：氮气或氩气＝0.5-2.0，还原活化过程控制5-20min，气体的空塔线速为0.05-2.0m/s。
将完成还原活化的催化剂1采用螺杆传送或脉冲气流喷射的方式102传送到流化床碳化反应器103中。
碳化反应器103由三部分构成，一段环流流化床1031，二段环流流化床1032，以及沉降段1033。
维持环流流化床1031和1032的温度为550-750℃。然后，分别在一段环流流化床的内筒分布器10311、环隙分布器10312，二段环流流化床的内筒分布器10321、环隙分布器10322通入五碳以下低碳烃与氮气或氩气的混合气体3，气体配比为碳源气体：氮气或氩气＝0.5-2，进行碳化反应40-90min。
碳化反应器103的一段环流流化床1031及二段环流流化床1032的内外筒半径比控制r/R＝0.3-0.8；内筒高径比控制l/r＝4-9；内外筒气体线速比控制2-4。
反应完成后自出料口104排出固相产品。碳化反应裂解气从碳化反应器103顶部排出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，由催化剂还原活化及碳化反应两部分构成，其中催化剂还原活化部分在常规流化床反应器内进行，碳化反应部分在碳化反应器内进行，所述的碳纳米管或石墨烯生长的碳化反应器由三部分构成：一段环流流化床、二段环流流化床以及沉降段。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的碳化反应器的两段环流流化床的内外筒半径比控制r/R＝0.3-0.8；内筒高径比控制l/r＝4-9；内外筒气体线速比控制2-4。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的还原活化流化床反应器温度为350-650℃，通入氢气与氮气或氩气的混合气体到还原活化反应器内，气体配比为氢气：氮气或氩气＝0.5-2.0，还原活化过程控制5-20min，气体的空塔线速为0.05-2.0m/s。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的碳化反应器的两段环流流化床的温度控制为550-750℃，两段环流流化床的内筒分布器和环隙分布器通入五碳以下低碳烃与氮气或氩气的混合气体，气体配比控制为碳源气体：氮气或氩气＝0.5-2，进行碳化反应40-90min。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的碳源是碳氢化合物、甲醇、乙醇或丙醇。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的反应完成后自出料口排出固相产品，碳化反应裂解气从碳化反应器顶部排出。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管或石墨烯的高效制备方法，其特征在于，所述的催化剂是单相过渡金属或其合金，或含有上述金属或合金的有机化合物；所述的模板剂是氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化钙和氧化硅中的一种或一种以上的混合物，模版剂形态为粉体。
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