CN117626221A - 一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，属于碳纳米管材料制备技术领域。本发明突破性地使用固体催化剂来制备碳纳米管，完全取代了传统的液体催化剂的反应模式，一方面，固体催化剂能够在反应过程中维持较好的形貌，不易发生团聚；另一方面，使用固体催化剂能够较大幅度调整催化剂浓度以及进料速度，从而显著提升单壁碳纳米管产量，并且相较于液体催化剂更节约成本，有利于将传统的裂解工艺单方向转化调整为催化剂制备、裂解工艺等，优化了生产工艺的多样性。
Description
技术领域
本发明涉及一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，属于碳纳米管材料制备技术领域。
背景技术
随着新能源产业的发展，动力电池与储能电池的市场迅速扩大，对于碳纳米管的需求也不断增加。相较于多壁碳纳米管，单壁碳纳米管化学性质稳定、导电性优、机械性能高，常用作高端锂离子电池的导电剂，但受限于产能和纯度，导致其价格居高不下。目前国内市面上生产单壁碳纳米管的方法是浮动催化剂化学气相沉积法，设备为管径为80-200mm的管式炉。
这种方法目前均使用液体催化剂(例如溶解后的二茂铁)与甲苯和噻吩混合进行反应。然而，使用液体催化剂存在如下问题：
1、进料量难以提升：由于液体催化剂气化分解后形成的活性组分极易团聚，会导致催化剂本身的活性显著下降，从而造成产品中出现双壁/多壁的碳纳米管杂质，影响产品质量；而解决这个问题只能通过严格控制液体催化剂的浓度和进料速度处于较低且合适的水平，使得生产效率受限。
2、温度难以调控：不同的催化剂温度会影响不同的注射泵针头温区的要求，并且在改变催化剂浓度、进料速度等参数时也需要调整针头的温区，同时由于不同参数之间的协同效应强，导致温度的控制工艺极其复杂，具有难度。
3、成本较高：液体催化剂本身的成本较高，并且当需要提高产量时，只能通过增加设备和场地成本来实现，而这种提高量产的方式除了成本难以控制外也会对设备有着较高的技术要求，若是炉腔、气氛、液体催化剂的均一性控制不好会导致单壁碳纳米管品质受到影响，
并且设备也容易发生事故，存在安全隐患。
此外，实际生产中也时常存在产品粘壁、收集困难等问题，导致单壁碳纳米管的生产连续性和纯度较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，包括：
进料系统，所述进料系统包括存放有物料的注射泵、存放且能够生成载气的载气发生装置、与所述注射泵和所述载气发生装置连接的混合器，所述混合器设有第一喷头且能够将物料充分混合并与载气结合后通过所述第一喷头喷出，所述载气用于载带反应前驱体进入刚玉管，避免反应前躯体因缺乏驱动力而飘逸在刚玉管上部；以及
主反应器，所述主反应器包括控制模块以及由控制模块控制连接的加热炉，所述加热炉内设有刚玉管，所述刚玉管与所述第一喷头连接；以及
吹扫装置，包括存放且能够生成稀有气体的稀有气体发生装置、与所述稀有气体发生装置连接且通向所述刚玉管的管壁的第二喷头；以及
收料系统，所述收料系统包括与所述刚玉管连接的水冷收集罐、与所述水冷收集罐连接的收集箱、与所述收集箱连接的抽气泵，所述水冷收集罐具有冷却功能，所述水冷收集罐内、所述收集箱与所述抽气泵之间分别设有第一筛、第二筛，所述第一筛设有多个平行于所述刚玉管的收集柱。
应当理解，所述“第一”、“第二”仅用于区分不同位置或不同特征的组件，并无其他限定含义；所述加热炉可以是管式炉且能够在控制模块的控制下对刚玉管进行加热，从而使得刚玉管内的固体催化剂、碳源和催化助剂发生催化裂解反应；所述吹扫装置通过第二喷头将稀有气体喷向刚玉管的管壁，从而将刚玉管的管壁上的碳管产物吹落至收料系统的水冷收集罐内，有效防止碳管产品粘壁；所述水冷收集罐是具有冷却功能的罐体容器，第一筛及多个收集柱均可用于收集碳管产物，并且收集柱能够收集到大部分连续的碳管产物；而第二筛是用于收集细碎的碳管产物。
在本发明的一种实施方式中，所述混合器为漩涡式混合器，漩涡式混合器能够使得固体催化剂与碳源和催化助剂充分混合的效果更好；所述载气发生装置与所述混合器之间设有预热器，所述预热器能够预热载气，从而雾化液体物料，进一步提升反应前驱体均匀度。
在本发明的一种实施方式中，所述刚玉管由法兰与所述第一喷头、所述第二喷头连接。
进一步地，所述水冷收集罐包括外腔、嵌套于所述外腔的内腔、安装于所述内腔的第一筛，所述外腔设有进水口和出水口，所述外腔与所述内腔之间留有水冷空间，冷却水能够依次通过所述进水口、水冷空间、出水口以对所述第一筛进行冷却。
在本发明的一种实施方式中，所述外腔和内腔均设有观察窗口，便于观察第一筛的收集情况；所述水冷收集罐还设有压力表和安全阀，防止水冷收集罐内压力过大损坏设备。
本发明还提供一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置的应用，包括如下步骤：
步骤1：通过注射泵向混合器内注入包括甲苯、固体催化剂、噻吩的混合物，同时由载气发生装置向混合器内提供载气，使得混合物及载气结合形成反应前驱体；
应当理解，固体催化剂的成本相比于液体催化剂的成本较小，能够在反应过程中维持较好的形貌，不易发生团聚；并且调整固体催化剂浓度、进料速度对注射泵的影响较小，工艺调控相对简单。
步骤2：通过第一喷头向刚玉管内注入反应前驱体，在加热炉的加热作用下使得刚玉管内发生催化裂解反应生成第一碳管产物，待反应结束后通过第二喷头使用稀有气体将刚玉管的管壁上的第一碳管产物吹落；
步骤3：待第一碳管产物被全部吹落至水冷收集罐内的第一筛和/或第一筛的收集柱后，对附着在第一筛和/或第一筛的收集柱的第一碳管产物进行冷却并得到第二碳管产物；
步骤4：通过抽气泵将第二碳管产物抽吸至收集箱内连续收集。
优选地，所述步骤1中提供的载气是氢气；所述步骤2中使用的稀有气体是氩气。
本发明的有益效果：
本发明突破性地使用固体催化剂来制备碳纳米管，完全取代了传统的液体催化剂的反应模式，一方面，固体催化剂能够在反应过程中维持较好的形貌，不易发生团聚；另一方面，使用固体催化剂能够较大幅度调整催化剂浓度以及进料速度，从而显著提升单壁碳纳米管产量，并且相较于液体催化剂更节约成本，有利于将传统的裂解工艺单方向转化调整为催化剂制备、裂解工艺等，优化了生产工艺的多样性；另外，通过设置载气发生装置与混合器结合，使得固体催化剂能够以浮动分散的反应前驱体的形态进入到刚玉管中发生反应，使得反应能够更加充分、均一；以及，通过水冷收集罐中第一筛与收集柱的组合结构使得收集到的碳管产物更加连续完整，有利于解决生产的连续性和纯度问题。
附图说明
图1为本发明一种实施方式中整体结构示意图。
图中，1、控制模块；2、加热炉；3、刚玉管；4、注射泵；5、混合器；6、载气发生装置；7、预热器；8、第一喷头；9、第一法兰；10、稀有气体发生装置；11、第二喷头；12、第二法兰；13、水冷收集罐；14、外腔；15、内腔；16、进水口；17、出水口；18、第一筛；19、观察窗口；20、安全阀；21、压力表；22、收集柱；23、收集箱；24、抽气泵；25、第二筛。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，包括：
进料系统，所述进料系统包括存放有物料的注射泵4、存放且能够生成载气的载气发生装置6、与所述注射泵4和所述载气发生装置6连接的混合器5，所述混合器5设有第一喷头8且能够将物料充分混合并与载气结合后通过所述第一喷头8喷出，所述载气发生装置6是能够产生氢气的装置，氢气作为载气，且所述载气发生装置6与所述混合器5之间设有预热器7，所述预热器7能够预热氢气，以及
主反应器，所述主反应器包括控制模块1以及由控制模块1控制连接的加热炉2，所述加热炉2内设有刚玉管3，所述刚玉管3与所述第一喷头8连接；以及
吹扫装置，包括存放且能够生成稀有气体的稀有气体发生装置10、与所述稀有气体发生装置10连接且通向所述刚玉管3的管壁的第二喷头11，所述刚玉管3由第一法兰9与所述第一喷头8、所述第二喷头11连接；以及
收料系统，所述收料系统包括与所述刚玉管3通过第二法兰12连接的水冷收集罐13、与所述水冷收集罐13连接的收集箱23、与所述收集箱23连接的抽气泵24，所述水冷收集罐13具有冷却功能，所述水冷收集罐13内、所述收集箱23与所述抽气泵24之间分别设有第一筛18、第二筛25，所述第一筛18设有多个平行于所述刚玉管3的收集柱22。
进一步地，所述水冷收集罐13包括外腔14、嵌套于所述外腔14的内腔15、安装于所述内腔的第一筛18，所述外腔14设有进水口16和出水口17，所述外腔14与所述内腔15之间留有水冷空间，冷却水能够依次通过所述进水口16、水冷空间、出水口17以对所述第一筛18进行冷却。
所述外腔14和内腔15均设有观察窗口19，便于观察第一筛18的收集情况；所述水冷收集罐13还设有压力表21和安全阀20，防止水冷收集罐13内压力过大损坏设备。
实施例2
本发明还提供一种实施例1中的装置应用，包括如下步骤：
步骤1：通过注射泵4向混合器内注入包括甲苯、固体催化剂、噻吩的混合物，同时由载气发生装置6向混合器内提供氢气作为载气，使得混合物及载气结合形成反应前驱体；
步骤2：通过第一喷头8向刚玉管3内注入反应前驱体，在加热炉2的加热作用下使得刚玉管3内发生催化裂解反应生成第一碳管产物，待反应结束后通过第二喷头使用稀有气体将刚玉管3的管壁上的第一碳管产物吹落；
步骤3：待第一碳管产物被全部吹落至水冷收集罐13内的第一筛18和/或第一筛18的收集柱22后，对附着在第一筛18和/或第一筛18的收集柱22的第一碳管产物进行冷却并得到第二碳管产物；
步骤4：通过抽气泵24将第二碳管产物抽吸至收集箱23内连续收集。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，包括：
进料系统，所述进料系统包括存放有物料的注射泵、存放且能够生成载气的载气发生装置、与所述注射泵和所述载气发生装置连接的混合器，所述混合器设有第一喷头且能够将物料充分混合并与载气结合后通过所述第一喷头喷出；以及
主反应器，所述主反应器包括控制模块以及由控制模块控制连接的加热炉，所述加热炉内设有刚玉管，所述刚玉管与所述第一喷头连接；以及
吹扫装置，包括存放且能够生成稀有气体的稀有气体发生装置、与所述稀有气体发生装置连接且通向所述刚玉管的管壁的第二喷头；以及
收料系统，所述收料系统包括与所述刚玉管连接的水冷收集罐、与所述水冷收集罐连接的收集箱、与所述收集箱连接的抽气泵，所述水冷收集罐具有冷却功能，所述水冷收集罐内、所述收集箱与所述抽气泵之间分别设有第一筛、第二筛，所述第一筛设有多个平行于所述刚玉管的收集柱。
2.根据权利要求1所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述混合器为漩涡式混合器。
3.根据权利要求2所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述载气发生装置与所述混合器之间设有预热器。
4.根据权利要求1所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述刚玉管由法兰与所述第一喷头、所述第二喷头连接。
5.根据权利要求1所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述水冷收集罐包括外腔、嵌套于所述外腔的内腔、安装于所述内腔的第一筛，所述外腔设有进水口和出水口，所述外腔与所述内腔之间留有水冷空间，冷却水能够依次通过所述进水口、水冷空间、出水口以对所述第一筛进行冷却。
6.根据权利要求5所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述外腔和所述内腔均设有观察窗口。
7.根据权利要求5所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述水冷收集罐还设有压力表和安全阀。
8.如权利要求1-7任一所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置的应用，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过注射泵向混合器内注入包括甲苯、固体催化剂、噻吩的混合物，同时由载气发生装置向混合器内提供载气，使得混合物及载气结合形成反应前驱体；
步骤2：通过第一喷头向刚玉管内注入反应前驱体，在加热炉的加热作用下使得刚玉管内发生催化裂解反应生成第一碳管产物，待反应结束后通过第二喷头使用稀有气体将刚玉管的管壁上的第一碳管产物吹落；
步骤3：待第一碳管产物被全部吹落至水冷收集罐内的第一筛和/或第一筛的收集柱后，对附着在第一筛和/或第一筛的收集柱的第一碳管产物进行冷却并得到第二碳管产物；
步骤4：通过抽气泵将第二碳管产物抽吸至收集箱内连续收集。
9.根据权利要求8所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述步骤1中提供的载气是氢气。
10.根据权利要求8所述的一种浮动催化剂化学气相沉积法制备单壁碳纳米管的装置，其特征在于，所述步骤2中使用的稀有气体是氩气。
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