CN221156583U - 一种单壁碳纳米管的制备装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种单壁碳纳米管的制备装置，涉及碳纳米管技术领域。具体而言：所述制备装置包括如下依次相连接的组件：反应物运输组件、预混合腔室、列阵式反应器、生长腔室和收集组件；其中，所述列阵式反应器设置有若干管状通道，所述通道呈列阵式排布。本实用新型的装置结构简单、操作简便，通过优化各反应组件的温度和反应物运输组件的流速，可以有效地控制催化剂颗粒的形核和生长时间，进而控制催化剂纳米颗粒的尺寸及其分布，最终得到高纯度、高产率、具有高度均一性的单壁型碳纳米管产品，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及碳纳米管技术领域，具体而言，涉及一种单壁碳纳米管的制备装置。
背景技术
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维碳纳米材料，可以看做是由石墨烯片层卷曲而成，按照石墨烯的层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性；这种特殊的结构赋予单壁碳纳米管优异的电子、机械、力学性能，使其在电化学储能、半导体器件、精密传感器和催化剂载体等多个领域具有潜在应用。
单壁碳纳米管的制备方法目前主要有电弧放电法、激光烧蚀法和化学气相沉积法。相比于电弧放电法和激光烧蚀法，气相沉积法由于反应条件相对温和，反应过程易于控制，逐步成为制备单壁碳纳米管的主流制备方法。但气相沉积法也存在不少亟待解决的问题，主要包括：(1)碳管直径分布较大；(2)单壁碳管的产率不高，产物中含较高比例多壁碳管；(3)产物结晶性不高，催化剂残留较多。解决以上问题的关键在于，如何对于初始形成的催化剂颗粒尺寸及其分布的调控；只有将催化剂颗粒的尺寸控制在相对窄的范围内，才有望实现高质量单壁碳纳米管的宏量制备。
有鉴于此，特提出本实用新型。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种单壁碳纳米管的制备装置，当采用本实用新型的装置进行单壁型碳纳米管的制备工艺时，能够避免或解决单壁碳纳米管直径分布不均、产率低下、纯度不高和结晶性不高等技术缺陷。
为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：
一种单壁碳纳米管的制备装置，包括如下依次相连接的组件：
反应物运输组件、预混合腔室、列阵式反应器、生长腔室和收集组件；
其中，所述列阵式反应器设置有若干管状通道，所述通道呈列阵式排布。
优选地，所述反应物运输组件包括送粉组件、载气管路和送气管路；
优选地，所述预混合腔室设置有第一入口和第二入口；
更优选地，所述载气管路与所述第一入口相连接，所述送气管路与所述第二入口相连接。
优选地，所述反应物运输组件还包括水冷组件；
更优选地，所述水冷组件为环状中空结构，且所述水冷组件的外环为冷水通路，所述水冷组件的内部为反应料通路。
优选地，所述通道的直径为0.5mm～5mm，所述通道的长度为50mm～500mm。
优选地，在所述列阵式反应器中，所述通道的数量为10～200个；
优选地，在所述列阵式反应器中，所述通道之间的距离为2mm～5mm。
优选地，所述预混合腔室采用球、圆柱或倒圆台结构；
更优选地，所述预混合腔室的长度为5cm～50cm。
优选地，所述生长腔室采用中空结构的圆柱管；
更优选地，所述生长腔室的直径为3cm～500cm，所述生长腔室的高度为0.5m～3.0m。
优选地，所述收集组件包括气固分离组件、尾气收集容器和碳纳米管收集容器；
更优选地，所述气固分离组件的入口与所述生长腔室的出口相连接；所述尾气收集容器与所述气固分离组件的气体出口相连接，所述碳纳米管收集容器与所述气固分离组件的固体出口相连接。
优选地，所述预混合腔室、所述列阵式反应器和所述生长腔室独立地设置有加热组件和控温组件。
优选地，所述反应物运输组件、所述预混合腔室、所述列阵式反应器和所述生长腔室依次按照由下至上的方向设置。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型提供了一种结构简单、操作简便的单壁碳纳米管生产装置；通过优化各反应组件的温度和反应物运输组件的流速，可以有效地控制催化剂颗粒的形核和生长时间，进而控制催化剂纳米颗粒的尺寸及其分布，最终得到高纯度、高产率、具有高度均一性的单壁型碳纳米管产品。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一种单壁碳纳米管的制备装置示意图。
附图标记：
1-反应物运输组件；
11-第一入口；
12-第二入口；
2-预混合腔室；
3-列阵式反应器；
4-生长腔室；
5-收集组件。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型通过如下具体的实施方式进行：一种单壁碳纳米管的制备装置，包括如下依次相连接的组件：反应物运输组件1、预混合腔室2、列阵式反应器3、生长腔室4和收集组件5；其中，所述列阵式反应器3设置有若干管状通道，所述通道呈列阵式排布。
如图1所示提供了一种可行的单壁碳纳米管的生产装置的截面示意图。
在本实用新型中，所述反应物运输组件1用于反应原料的供给和运送，主要包括碳源气体、催化剂、载气的运输；也可基于所述反应物运输组件1的气体管路为各腔室和反应设备提供惰性气体环境。
作为一种优选的实施方式，所述反应物运输组件1包括送粉组件、载气管路和送气管路；其中，所述载气管路和所述送粉组件相连接，用于将所述送粉组件中的粉体催化剂通过载气运输至下一级反应设备，所述载气管路和所述送气管路均与所述预混合腔室2相连接。
作为一种优选的实施方式，所述预混合腔室2设置有第一入口11和第二入口12；所述载气管路与所述第一入口11相连接，所述送气管路与所述第二入口12相连接。
作为一种优选的实施方式，所述反应物运输组件1还包括水冷组件；所述水冷组件为环状中空结构，且所述水冷组件的外环为冷水通路，所述水冷组件的内部为反应料通路；作为一种可选的实施方式，所述水冷组件独立地安装在所述载气管路或所述送气管路的外侧，此时，反应料通路等同于所述载气管路或所述送气管路，用于得到温度均一的低温态反应原料。
在本实用新型中，所述预混合腔室2用于催化剂的气化、气化催化剂和碳源气体的预热，以及两者的均匀混合。
作为一种优选的实施方式，所述预混合腔室2采用球、圆柱或倒圆台结构。
作为一种优选的实施方式，所述预混合腔室2的长度为5cm～50cm；作为一种可选的实施方式，所述预混合腔室2的长度包括但不限于5、8、10、15、20、25、30、35、40、45、50(cm)；在本实用新型中不对所述预混合腔室2的高度进行优选的限定，可以基于装置整体的规模或单壁碳纳米管的产量进行适应性设置。
在本实用新型中，所述列阵式反应器3用于催化剂纳米颗粒和部分含碳自由基的形成；作为必要的技术特征，所述列阵式反应器3设置有若干呈列阵式排布的管状通道，每个所述通道的一侧应当与所述预混合腔室2相连接，且另一侧与所述生长腔室4相连接。
作为一种优选的实施方式，每个所述通道的直径为0.5mm～5mm，每个所述通道的长度为50mm～500mm；作为一种可选的实施方式，每个所述通道的直径包括但不限于0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0(mm)，每个所述通道的长度包括但不限于50、60、70、80、100、120、150、180、200、250、300、350、400、450、500(mm)。
作为一种优选的实施方式，在所述列阵式反应器3中，所述通道的数量为10～200个，其数量包括但不限于10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200。
作为一种优选的实施方式，在所述列阵式反应器3中，所述通道之间的距离为2mm～5mm；作为一种可选的实施方式，所述通道之间的距离包括但不限于2、2.5、3、3.5、4、4.5、5(mm)；这里所指的间距为相邻的通道之间的最短距离，其可以是水平方向上的，也可以是垂直或斜向的；无论是何种方向上的均应该保证在上述范围内。
在本实用新型中，所述生长腔室4用于单壁碳纳米管的形成与生长。
作为一种优选的实施方式，所述生长腔室4采用中空结构的圆柱管。
作为一种更优选的实施方式，所述生长腔室4的直径为3cm～500cm，所述生长腔室4的高度为0.5m～3.0m；作为一种可选的实施方式，所述生长腔室4的直径包括但不限于3、5、10、15、20、50、100、150、200、250、300、350、400、450、480、500(cm)，所述生长腔室4的高度包括但不限于0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0(m)。
在本实用新型中，所述收集组件5用于单壁碳纳米管的收集及尾气的排出，也可以额外附加有单壁碳纳米管的净化组件或检测组件等，本领域技术人员可以根据所需要的附加功能进行设置。
作为一种优选的实施方式，所述收集组件5包括气固分离组件、尾气收集容器和碳纳米管收集容器。
作为一种更优选的实施方式，所述气固分离组件的入口与所述生长腔室4的出口相连接；所述尾气收集容器与所述气固分离组件的气体出口相连接，所述碳纳米管收集容器与所述气固分离组件的固体出口相连接。
作为一种优选的实施方式，所述预混合腔室2、所述列阵式反应器3和所述生长腔室4独立地设置有加热组件和控温组件。
作为一种优选的实施方式，所述反应物运输组件1、所述预混合腔室2、所述列阵式反应器3和所述生长腔室4依次按照由下至上的方向设置。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本实用新型，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本实用新型范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，包括如下依次相连接的组件：
反应物运输组件、预混合腔室、列阵式反应器、生长腔室和收集组件；
其中，所述列阵式反应器设置有若干管状通道，所述通道呈列阵式排布。
2.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述反应物运输组件包括送粉组件、载气管路和送气管路；
所述预混合腔室设置有第一入口和第二入口；
所述载气管路与所述第一入口相连接，所述送气管路与所述第二入口相连接。
3.根据权利要求2所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述反应物运输组件还包括水冷组件；
所述水冷组件为环状中空结构，且所述水冷组件的外环为冷水通路，所述水冷组件的内部为反应料通路。
4.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，在所述列阵式反应器中，所述通道的直径为0.5mm～5mm，所述通道的长度为50mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，在所述列阵式反应器中，所述通道的数量为10～200个；
所述通道之间的距离为2mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述预混合腔室采用球、圆柱或倒圆台结构；
所述预混合腔室的长度为5cm～50cm。
7.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述生长腔室采用中空结构的圆柱管；
所述生长腔室的直径为3cm～500cm，所述生长腔室的高度为0.5m～3.0m。
8.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述收集组件包括气固分离组件、尾气收集容器和碳纳米管收集容器；
所述气固分离组件的入口与所述生长腔室的出口相连接；所述尾气收集容器与所述气固分离组件的气体出口相连接，所述碳纳米管收集容器与所述气固分离组件的固体出口相连接。
9.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述预混合腔室、所述列阵式反应器和所述生长腔室独立地设置有加热组件和控温组件。
10.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备装置，其特征在于，所述反应物运输组件、所述预混合腔室、所述列阵式反应器和所述生长腔室依次按照由下至上的方向设置。
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