CN1915806A - 碳纳米管制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管制备装置及制备方法。所述碳纳米管的制备装置包括一炉管，其特征在于所述炉管内或炉管外表面设置有一冷却装置。所述碳纳米管的制备方法包括以下步骤：提供一上述碳纳米管制备装置，其中所述碳纳米管制备装置还包括一基板；在所述基板上沉积一催化剂层；加热炉管至一预定温度；向炉管内通入碳源气体生长碳纳米管；向冷却装置内通入冷却工作物质，冷却炉管内的温度至 300℃以下以取出碳纳米管。

Description

碳纳米管制备装置及制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种碳纳米管的制备装置及制备方法。

【背景技术】

碳纳米管是一种管状石墨，其由日本研究人员Iijima于1991年发现，请参见″Helical Microtubules of Graphitic Carbon″，S Iijima，Nature，Vol.354，P.56(1991)。它以其极优异的导电、单向导热等性能引起了人们的广泛关注，碳纳米管的制备方法亦一直是科学研究的重点。

制备碳纳米管的方法有电弧放电法(Arc Discharge)、雷射消熔法(Laserablation)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)等，其中CVD法生长碳纳米管具有设备简单、低成本及可大型化等优点。

典型的CVD生长碳纳米管的设备包括一高温加热炉、一石英炉管、一设置在石英炉管内的载舟及一设置在载舟内的基板。制备碳纳米管时，首先在基板上沉积一催化剂层，然后加热石英炉管，通入碳源气体，在高温状态下碳源气体在催化剂层上进行反应，从而生长出碳纳米管。此种装置以高温热分解碳源气的方式生长碳管，其反应温度范围为500-1000℃，由于碳纳米管高温下的高反应活性，碳管易与空气反应，故生长反应结束后碳管不可直接在高温状态下取出，而必须等到高温炉内温度下降到300℃以下时才可取出。因而整个碳管制备过程中，有效反应时间较短，而用于升温、降温的时间较长，占整个制程时间10％以上，很大程度上降低了碳纳米管的制备效率，因此提高碳纳米管的制备效率尤为重要。

【发明内容】

以下将以多个实施例说明一种提高碳纳米管制备效率的碳纳米管的制备装置及制备方法。

所述碳纳米管的制备装置包括一炉管，所述炉管内或炉管外表面设置有一冷却装置。

所述炉管上还设有一气体入口及一气体出口，用以在制备碳纳米管时，源气体从所述入口流入，从所述出口流出。

可选的，所述冷却装置包括一设置于所述炉管内表面处的冷却腔，冷却腔中包含冷却工作物质。

可选的，所述冷却装置包括设置于所述炉管内的多根冷却管，冷却管中包含冷却工作物质。

可选的，所述冷却装置包括设置在所述炉管外表面的至少一根冷却管，冷却管中包含冷却工作物质。

优选的，所述冷却工作物质可在所述冷却装置内流动。

优选的，所述冷却工作物质流动方向与炉管中气体流动方向相反。

一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

提供一碳纳米管制备装置，所述碳纳米管制备装置包括一炉管、一设置于炉管内的基板，所述炉管内或炉管外表面设置有一冷却装置；在所述基板上沉积一催化剂层；加热炉管至一预定温度；通入碳源气体，生长碳纳米管；向所述冷却装置内通入冷却工作物质，冷却所述炉管内的温度至300℃以下以取出碳纳米管。

与现有技术相比，本技术方案碳纳米管的制备装置及制备方法中采用的装置包括一冷却装置，所述冷却装置中可通入冷却工作物质，其可快速冷却炉管及其中气体，减少炉管内温度冷却到可取出碳纳米管时的时间，提高制备效率。

所述冷却工作物质流动时可增强冷却效果，进一步提高制备效率。

所述冷却工作物质流动方向与炉管中气体流动方向相反，由于先进入炉管内的气体具有较高的温度，此种方式使冷却工作物质与炉管内气体形成逆流，冷却效果更佳。

【附图说明】

图1是本技术方案第一实施例碳纳米管制备装置结构剖面示意图。

图2是图1所示的碳纳米管制备装置沿II-II截面图。

图3是本技术方案第二实施例碳纳米管制备装置结构剖面示意图。

图4是图3所示的碳纳米管制备装置沿IV-IV截面图。

图5是本技术方案第三实施例碳纳米管制备装置结构示意图。

图6是本技术方案碳纳米管制备方法流程图。

【具体实施例】

以下结合图示说明一种碳纳米管制备装置及制备方法：

请参阅图1及图2，是本技术方案碳纳米管制备装置第一实施例示意图，所述碳纳米管制备装置100包括一炉管110、一设置在炉管内的载舟130、一设置在载舟内的基板140、一用于加热炉管的加热部120及一冷却装置150，冷却装置150包括设置在炉管110中的管壳151及由管壳151与炉管110构造出的冷却腔152。

炉管110由化学性能稳定、耐高温的材质形成即可，材质优选石英，其两端分别设有一气体入口111及一气体出口112；所述基板140可以为多孔硅基板或二氧化硅基板，耐高温并与后续步骤中催化剂不发生化学反应或原子渗透等现象的材料均可，要求其表面清洁，不破坏后续反应条件。所述加热部120设置在炉管110外，可加热炉管即可。优选的，加热部120紧密围绕于炉管110外以达到均匀的加热效果。优选的，使加热部120与载舟130对应设置以达到较好的加热效果。更加优选的，在加热部120与炉管110之间设置一热导材料层160，热导材料可采用散热膏、导热垫片等，要求具有较高的传热系数，且可与加热部120及炉管110紧密接触，其可增加热导效率，提供更加均匀的加热。所述管壳151可根据炉管110的中轴线对称设置，但例如在重力场中使用时，可根据重力场的方向，改变管壳设置位置，使冷却腔152在与重力场相反的方向上的空间较大，以容纳更多的冷却工作物质，从而可较快速的冷却由于受热而上升的气体。管壳151优选采用与炉管110相同的材质。冷却腔152上设有一入口153、一出口154，藉由入口153可向冷却腔内注入冷却工作物质，冷却工作物质优选水、甲醇、乙醇、丙酮、己烷、液氨、液氮中的一种或其混合物，优选使冷却工作物质处于流动状态，如将入口153及出口154接入冷却工作物质循环系统。更加优选的，由于制备碳纳米管时的碳源气体和保护气体从气体入口111流入，未反应完的碳源气体、保护气及反应产生的废气从气体出口112流出，因此可调整入口153与154的设置位置使冷却工作物质流动方向与炉管110中气体流向相反，形成逆流，加强冷却效果。为避免由于冷却腔152平均厚度太小导致冷却腔152中冷却工作物质不足以及因冷却腔152平均厚度太大而浪费冷却工作物质的冷却能力，优选使冷却腔152平均厚度与炉管110的内径比值介于0.1-0.25之间。

请参阅图3及图4，是本技术方案第二实施例示意图，所述碳纳米管制备装置200与第一实施例的碳纳米管制备装置100不同之处在于其中的冷却装置是设置于炉管210内的多根冷却管251。所述冷却管251两端分别设有一入口253及一出口254，藉由入口253可向冷却管251内注入冷却工作物质，优选的，使冷却工作物质处于流动状态，更加优选的使冷却工作物质流动方向与炉管210中气体流动方向相反。本实施例中由于使用多根冷却管251，冷却工作物质与炉管210中气体有更大的接触面积，更加便于冷却。与实施例一相类似，为达到充分利用冷却装置的冷却效率，优选使冷却管251外径与所述炉管210内径的比值处于0.1-0.25之间。冷却管251可在炉管10内任意分布，不妨碍载舟230之设置即可。优选的，使冷却管251在靠近炉管210内表面处均匀设置以达到较均匀的冷却效果。

请参阅图5，是本技术方案第三实施例示意图，所述碳纳米管制备装置300与第一实施例的碳纳米管制备装置100不同之处在于其中的冷却装置是设置于炉管310外表面处的至少一根冷却管350。所述冷却管350缠绕于炉管310外表面，嵌入热导材料层360中，其两端设有一入口351及一出口352，藉由入口351可向冷却管内通入冷却工作物质，优选的，使冷却工作物质处于流动状态，更加优选的使冷却工作物质流动方向与炉管310中气体流动方向相反。本实施例中的冷却管350位于加热部320与炉管310之间，为实现加热效率与冷却效率的平衡，除采用更好的热导材料外，优选使所述冷却管350围绕炉管310相邻两圈之间距离与所述冷却管直径的比值介于0.5-2之间。

以上各实施例中的碳纳米管制备装置中包括一冷却装置，在碳纳米管生长反应完成后可向所述冷却装置中通入冷却工作物质，使炉管及其中气体快速冷却，提高碳纳米管制备效率；为进一步加快冷却速度，还可将冷却装置接入冷却工作物质循环系统；更加优选的，使冷却工作物质流动方向与炉管中气体流动方向相反，冷却效果更佳。

请参阅图6，以上述实施例一的碳纳米管制备装置100为例，本技术方案还提供一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1，提供一碳纳米管制备装置100。

步骤2，在基板40上沉积一催化剂层(图未示)，催化剂一般为过渡金属Fe、Co、Ni或Fe、Co、Ni的氧化物、或含有Fe、Co、Ni的合金，沉积厚度1～10nm。

步骤3，加热炉管至一预定温度，此温度与用以生长碳纳米管的碳源气体有关，一般为500-1000℃。

步骤4，通入碳源气体，生长碳纳米管。

步骤5，向所述冷却腔中通入冷却工作物质，冷却炉管及其中气体到300℃以下以取出碳纳米管。冷却工作物质需具有较大的吸热能力，优选水、甲醇、乙醇、丙酮、己烷、液氨、液氮中一种或其混合物。待冷却工作物质吸收一定热量失去冷却能力时可换上新的冷却工作物质，更加优选的可将冷却装置接入冷却工作物质循环系统。由于先进入炉管内的气体具有较高的温度，更加优选的使冷却工作物质从流动方向与炉管中气体的流动方向相反，冷却效果更佳。

上述碳纳米管制备方法中的步骤1中还可采用第二实施例或第三实施例中的碳纳米管制备装置，其操作步骤与上述碳纳米管的制备方法相似。

与现有技术相比，本技术方案碳纳米管的制备装置及制备方法中采用的装置包括一冷却装置，可向所述冷却装置中通入冷却工作物质，快速冷却炉管及其中气体，节省冷却时间，提高制备效率。所述冷却工作物质流动时可增强冷却效果，进一步提高了制备效率。

Claims (13)

1.一种碳纳米管的制备装置，其包括一炉管，其特征在于所述炉管内或炉管外表面处设置有一冷却装置。

2.如权利要求1所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却装置包括一设置于所述炉管内表面的冷却腔，所述冷却腔中包含冷却工作物质。

3.如权利要求2所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却腔的平均厚度与所述炉管的内径比值介于0.1-0.25之间。

4.如权利要求1所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却装置包括设置于所述炉管内的多根冷却管，所述冷却管中包含冷却工作物质。

5.如权利要求4所述的碳纳米管的制备装置，其中所述的冷却管设置于所述炉管内表面。

6.如权利要求4所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却管外径与所述炉管内径比值范围为0.1-0.25。

7.如权利要求1所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却装置包括设置于炉管外表面的至少一根冷却管，所述冷却管中包含冷却工作物质。

8.如权利要求7所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却管环绕于所述炉管表面。

9.如权利要求8所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却管相邻两圈之间距离与所述冷却管直径比值范围为0.5-2。

10.如权利要求2、4、7项中任一项所述的碳纳米管的制备装置，其中所述冷却工作物质包括水、甲醇、乙醇、丙酮、己烷、液氨、液氮中的一种或其混合物。

11.一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

提供一碳纳米管制备装置，所述碳纳米管制备装置包括一炉管、一设置于炉管内的基板，其中所述炉管内或所述炉管外表面处设置有一冷却装置；

于基板上沉积一催化剂层；

加热炉管至一预定温度；

向所述炉管中通入碳源气体，生长碳纳米管；

向所述冷却装置中通入冷却工作物质，冷却所述炉管至300℃以下以取出碳纳米管。

12.如权利要求11所述的碳纳米管的制备方法，其中所述冷却工作物质流动于所述冷却装置内。

13.如权利要求12所述的碳纳米管的制备方法，其中所述的炉管包括一气体入口及一气体出口，用以形成一气体流动通道，所述冷却工作物质流动方向与所述气体的流动方向相反。

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