KR102535679B1 - Apparatus and method for manufacturing carbon nanotubes - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신재료 기술 분야에 속하고, 나노 탄소 재료와 관련되며, 특히 탄소 나노 튜브 제조 장치 및 방법과 관련된다. 이 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결되고, 아크 화염에 의해 생성된 고온 및 충격을 이용하여, 촉매 증발 챔버 내의 촉매제를 초 미세 촉매제로 직접 증발시키고, 연결 통로를 통해 화학 증착 챔버로 들어간다. 동시에 캐리어 가스와 탄소원 가스를 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버로 각각 통과시켜 촉매제가 고온 분해된 유기 탄소원과 반응하여 탄소 나노 튜브를 생성하게 하며, 또한 가스-고체 분리 챔버를 통해 분리 및 수집한다. 이 방법은 아크 고온 증발에 의해 생성된 촉매제를 초 미세 크기 또는 원자 상태로 화학 기상 성장 영역에 들어가는 것을 유지할 수 있으며, 높은 활성과 작은 크기를 가지며, 높은 결정성을 갖는 단일벽 탄소 나노 튜브를 제조하는 효과적인 방법이다. 또한, 장치는 간단하고 연속적인 제조를 실현할 수 있어, 큰 산업적 가치를 갖는다.The present invention belongs to the field of new material technology, and relates to nano-carbon materials, particularly to apparatus and methods for producing carbon nanotubes. In this device, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series, and the catalyst in the catalyst evaporation chamber is directly evaporated into an ultra-fine catalyst by using the high temperature and shock generated by the arc flame, It enters the chemical vapor deposition chamber through the connecting passage. At the same time, the carrier gas and the carbon source gas are passed through the catalyst evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber, respectively, so that the catalyst reacts with the high-temperature decomposed organic carbon source to generate carbon nanotubes, and is separated and collected through the gas-solid separation chamber. This method can keep the catalyst produced by arc high-temperature evaporation entering the chemical vapor growth region in an ultrafine size or atomic state, and produce single-walled carbon nanotubes with high activity, small size, and high crystallinity. an effective way to do it. In addition, the device can realize simple and continuous production, and has great industrial value.
Description
본 발명은 신재료 기술 분야에 속하고, 나노 탄소 재료와 관련되며, 특히 탄소 나노 튜브 제조 장치 및 방법과 관련된다.The present invention belongs to the field of new material technology, and relates to nano-carbon materials, particularly to apparatus and methods for producing carbon nanotubes.
탄소 나노 튜브는 sp2 하이브리드 탄소-탄소 공유 결합으로 구성된 튜브 형상의 나노 재료로서, 경량, 고강도, 높은 열전도율, 넓은 표면적, 안정된 구조 등의 장점을 가지고 있어 탄생 이후 많은 관심을 받고 있고, 나노 소재 기술의 핫스팟을 선도하고 있으며, 구조 복합 재료, 에너지, 촉매제 및 기능성 소자 분야에서 폭 넓은 응용 전망을 가지고 있다.Carbon nanotubes are tube-shaped nanomaterials composed of sp 2 hybrid carbon-carbon covalent bonds, and have advantages such as light weight, high strength, high thermal conductivity, large surface area, and stable structure, and have attracted much attention since their birth. is leading the hotspot of the world, and has broad application prospects in the fields of structural composite materials, energy, catalysts and functional devices.
현재 탄소 나노 튜브의 제조 방법은 주로 화학 기상 증착법, 아크 절제법, 레이저법, 플라즈마법 등을 포함하며, 화학 기상 증착법은 비교적 성숙한 공정 경로이며, 이미 산업화되어 있다. 그러나 화학 기상 증착법은 고유한 낮은 반응 온도로 인해 탄소 나노 튜브의 결정화 정도가 낮아 화학 기상 증착법으로 제조된 탄소 나노 튜브의 불량 함량이 높아진다. 특히 미세 직경 탄소 나노 튜브 및 단일벽 탄소 나노 튜브의 제조시, 표면 결함이 높아 전기 전도성이 극히 제한되어, 고온 방법으로 제조된 탄소 나노 튜브와 비교할 수 없다. 전통적인 화학 기상 증착 방법의 낮은 반응 온도로 인해 탄소-탄소의 결합 장벽이 재건 과정에서 잘 교차할 수 없으며, 대량의 불완전한 sp2 구조가 종종 형성되어 탄소 나노 튜브에 내부 결함을 유발하여 전자 운송을 심각하게 방해하여 전도성을 떨어 뜨린다. 따라서, 촉매제 활성을 높이거나 반응 온도를 높이는 것이 미세 직경 탄소 나노 튜브 제조의 핵심 요소이다.Current carbon nanotube manufacturing methods mainly include chemical vapor deposition, arc ablation, laser, plasma, etc., and chemical vapor deposition is a relatively mature process route and has already been industrialized. However, the chemical vapor deposition method has a low degree of crystallization of the carbon nanotubes due to its inherently low reaction temperature, resulting in a high defect content of the carbon nanotubes produced by the chemical vapor deposition method. Particularly, when producing fine-diameter carbon nanotubes and single-walled carbon nanotubes, electrical conductivity is extremely limited due to high surface defects, and thus cannot be compared with carbon nanotubes manufactured by a high-temperature method. Due to the low reaction temperature of the traditional chemical vapor deposition method, the bonding barrier of carbon-carbon cannot cross well in the reconstruction process, and a large amount of incomplete sp2 structure is often formed, causing internal defects in the carbon nanotubes, seriously affecting electron transport. impede and reduce conductivity. Therefore, increasing the catalytic activity or increasing the reaction temperature is a key factor in preparing fine-diameter carbon nanotubes.
중국 발명 특허 CN200710098478.2는 탄소 나노 튜브의 연속 생산을 위한 다단계 역류 반응기를 채택하고 유동층 화학 기상 증착 공정을 활용하여 탄소 나노 튜브의 연속 제조를 실현하는 방법 및 장치를 공개하고 있다. 중국 발명 특허 201010234322.4는 고온 아크 절제법을 채택하고 탄소 분말과 금속 촉매제를 탄소 전극에 채우고 아크를 통해 직접 절제하여 탄소 나노 튜브를 제조하는 제어 가능한 직경의 단일벽 탄소 나노 튜브 제조 방법을 공개하고 있다.Chinese invention patent CN200710098478.2 discloses a method and apparatus for realizing continuous production of carbon nanotubes by employing a multi-stage countercurrent reactor for continuous production of carbon nanotubes and utilizing a fluidized bed chemical vapor deposition process. Chinese Invention Patent No. 201010234322.4 discloses a method for producing single-walled carbon nanotubes with controllable diameter, which adopts a high-temperature arc ablation method, fills a carbon electrode with carbon powder and a metal catalyst, and directly ablate through an arc to produce carbon nanotubes.
중국 발명 특허 201110315452.5는 금속염 용액을 몰리브덴 또는 지르코늄 기판에 올려 놓고 직류 플라즈마 스프레이 화학 기상 증착 장비의 챔버에 있는 증착 테이블에 배치하고, 직류 아크에 의해 형성된 고온 플라즈마를 사용하여 금속염을 분해 및 환원하여 Ni/MgO 촉매제를 생성한 후 탄화수소 화합물 가스를 통과시켜 고온 분해를 통해 탄소 나노 튜브를 형성하는 탄소 나노 튜브 제조 방법을 공개하고 있다.Chinese invention patent 201110315452.5 puts a metal salt solution on a molybdenum or zirconium substrate, places it on a deposition table in the chamber of a DC plasma spray chemical vapor deposition equipment, and uses a high-temperature plasma formed by a DC arc to decompose and reduce the metal salt to obtain Ni/ A carbon nanotube manufacturing method is disclosed in which carbon nanotubes are formed through high-temperature decomposition by passing a hydrocarbon compound gas after generating an MgO catalyst.
그러나, 미세 직경 탄소 나노 튜브 및 단일벽 탄소 나노 튜브를 제조하기 위해 촉매제 입자 크기 및 활성의 제어 가능한 제조를 실현하는 것은 여전히 어려운 작업이다.However, realizing controllable fabrication of catalyst particle size and activity to prepare fine-diameter carbon nanotubes and single-walled carbon nanotubes remains a challenging task.
본 발명의 주요 목적은 탄소 나노 튜브 제조 장비 및 방법을 제공하여 종래기술의 결함을 극복하는 것이다.The main object of the present invention is to overcome the deficiencies of the prior art by providing a carbon nanotube manufacturing equipment and method.
전술한 발명의 목적을 구현하기 위해, 본 발명이 채용한 기술 방안은 다음과 같다:In order to realize the above object of the present invention, the technical solutions adopted by the present invention are as follows:
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버를 포함하며, 상기 장치는 촉매제 증발 챔버를 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버와 밀폐되게 연결하여 고온의 물리적 증발과 화학 기상 증착의 조합 사용을 실현하여 촉매제가 연결 통로를 통해 화학 증착 챔버에 들어가도록 하며, 동시에 가스 경로 시스템은 캐리어 가스와 탄소원 가스를 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버로 각각 통과시켜 촉매제가 고온 분해된 유기 탄소원과 반응하여 탄소 나노 튜브를 생성하게 하며, 또한 가스-고체 분리 챔버를 통해 분리 및 수집한다. The carbon nanotube manufacturing apparatus includes a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber. It realizes the combined use of evaporation, so that the catalyst enters the chemical vapor deposition chamber through the connecting passage, and at the same time, the gas passage system passes the carrier gas and the carbon source gas into the catalyst evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber respectively, so that the catalyst is decomposed by high-temperature decomposition organic matter. It reacts with the carbon source to produce carbon nanotubes, which are also separated and collected through a gas-solid separation chamber.
또한, 상기 탄소 나노 튜브 제조 장치의 구조는 다음과 같다: 상기 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버가 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 밀폐되게 연결되며;In addition, the structure of the carbon nanotube manufacturing apparatus is as follows: the catalyst evaporation chamber, the chemical vapor deposition chamber and the gas-solid separation chamber are sequentially and tightly connected from left to right;
상기 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버의 연결 위치에는 유기 탄소원 혼합 가스 유입구가 설치되고; 상기 촉매제 증발 챔버의 타단에는 캐리어 가스 유입구와 고온 증발 스프레이 건이 설치되며;An organic carbon source mixed gas inlet is installed at a connection position between the catalytic agent evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber; A carrier gas inlet and a high-temperature evaporation spray gun are installed at the other end of the catalytic agent evaporation chamber;
진공 시스템은 상기 가스-고체 분리 챔버에 연결되고; 상기 가스 경로 시스템은 상기 유기 탄소원 혼합 가스 유입구 및 캐리어 가스 유입구에 각각 연결되며; 냉각 시스템은 상기 화학 기상 증착 챔버의 측벽 상에 설치되고, 전원 시스템은 전원을 제공한다. a vacuum system is connected to the gas-solid separation chamber; the gas passage system is connected to the organic carbon source mixture gas inlet and the carrier gas inlet, respectively; A cooling system is installed on the sidewall of the chemical vapor deposition chamber, and a power supply system provides power.
또한, 상기 촉매제 증발 챔버는 고온의 물리적 증발 방식이고; 상기 고온의 물리적 증발 방식은 고온 아크, 고온 고주파 플라즈마 또는 고온 마이크로파 플라즈마이며; 상기 촉매제 증발 챔버는 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인리스 스틸 쉘이며, 상기 고온 단열층은 다공성 세라믹, 세라믹 섬유 펠트, 흑연 또는 흑연 펠트이다. In addition, the catalyst evaporation chamber is a high-temperature physical evaporation; The high-temperature physical evaporation method is a high-temperature arc, high-temperature radio-frequency plasma or high-temperature microwave plasma; The catalyst evaporation chamber is a double-layer water-cooled stainless steel shell with a high-temperature thermal insulation layer, and the high-temperature thermal insulation layer is porous ceramic, ceramic fiber felt, graphite or graphite felt.
또한, 상기 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이다.Also, the chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace.
또한, 상기 기체-고체 분리 챔버에서 채택된 분리 방식은 원심 분리, 사이클론 분리 및 여과 분리 중 어느 하나이다. In addition, the separation method employed in the gas-solid separation chamber is any one of centrifugal separation, cyclone separation, and filtration separation.
본 발명의 다른 하나의 목적은 전술한 탄소 나노 튜브 제조 장치를 이용하는 탄소 나노 튜브 제조 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 구체적으로 다음 단계를 포함한다:Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing carbon nanotubes using the above-described apparatus for manufacturing carbon nanotubes, and the method specifically includes the following steps:
촉매제를 촉매제 증발 챔버에 넣고, 진공 시스템을 시작하여 촉매제 증발 챔버의 공기를 배출한 후, 가스 경로 시스템을 시작하여 불활성 기체 캐리어 가스를 통과하도록 전환하는 S1 단계;Step S1 of putting the catalyst into the catalyst evaporation chamber, starting the vacuum system to exhaust the air in the catalyst evaporation chamber, and then starting the gas passage system to switch to pass the inert gas carrier gas;
화학 기상 증착 챔버를 켜서 가열하고, 온도를 지정된 온도로 높이는 S2 단계;Step S2 of turning on and heating the chemical vapor deposition chamber and raising the temperature to a designated temperature;
그런 다음, 고온 증발 스프레이 건을 켜서 촉매제 증발 챔버 내의 촉매제를 증발시키고, 관로 연결을 통해 캐리어 가스와 함께 화학 증착 챔버로 들어가는 S3 단계;Then, step S3 of turning on the high-temperature evaporation spray gun to evaporate the catalyst in the catalyst evaporation chamber, and entering the chemical vapor deposition chamber together with the carrier gas through the pipe connection;
이어서, 화학 기상 증착 챔버 내에 유기 탄소원 기체 혼합 가스를 도입하고, 생성된 생성물은 연결 관로를 통해 캐리어 가스와 함께 기체-고체 분리 챔버로 들어가고, 분리하여 최종 생성물을 얻는 S4 단계. Subsequently, an organic carbon source gas mixed gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber, and the generated product is introduced into the gas-solid separation chamber together with the carrier gas through a connecting pipe, and is separated to obtain a final product in step S4.
또한, 상기 S1 단계의 촉매제는 금속 촉매제이고, 상기 금속 촉매제는 철, 코발트 및 니켈 중 어느 하나 이상을 포함하고; 상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨 중 어느 하나이다. In addition, the catalyst of step S1 is a metal catalyst, and the metal catalyst includes at least one of iron, cobalt, and nickel; The carrier gas is any one of nitrogen, argon and helium.
또한, 상기 S2 단계의 온도는 500-1500 °C이다. In addition, the temperature of the step S2 is 500-1500 °C.
또한, 상기 S3 단계의 고온 증발 스프레이 건의 최고 온도는 2000 °C이상이고, 출력은 10kW 이상이다. In addition, the highest temperature of the high-temperature evaporation spray gun of the step S3 is 2000 ° C or more, and the output is 10 kW or more.
또한, 상기 S4 단계의 유기 탄소원 기체 혼합 가스는 유기 탄소원 기체, 불활성 캐리어 가스 및 수소를 포함하며; 여기서, 상기 유기 탄소원 기체의 부피는 5-80 %이고; 수소의 부피는 0.1-10 %이고, 나머지는 불활성 캐리어 가스이다. In addition, the mixed gas of the organic carbon source gas in step S4 includes an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and hydrogen; Here, the volume of the organic carbon source gas is 5-80%; Hydrogen is 0.1-10% by volume, the remainder being an inert carrier gas.
또한, 상기 유기 탄소원 기체는 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올 및 메탄올 중 하나 이상이다. In addition, the organic carbon source gas is at least one of methane, ethane, ethylene, ethanol and methanol.
종래기술과 비교하여, 본 발명의 장점은 다음과 같다:Compared with the prior art, the advantages of the present invention are as follows:
(1) 고온의 물리적 증발 공정과 화학 기상 증착이 결합된 장치를 사용하므로, 촉매제 제조 및 탄소 나노 튜브 성장이 연속적으로 가능하여, 촉매제의 활성을 효과적으로 보장하고, 간헐적으로 제조된 촉매제의 산화 및 응집으로 인한 촉매제의 실효를 방지하여 후속 화학 기상 증착의 촉매 효율을 개선하는데 유리하다. (1) Since a device combining high-temperature physical evaporation process and chemical vapor deposition is used, catalyst production and carbon nanotube growth are continuously possible, effectively guaranteeing the activity of the catalyst, and intermittent oxidation and aggregation of the prepared catalyst. It is advantageous to improve the catalytic efficiency of the subsequent chemical vapor deposition by preventing the catalyst from deactivating due to
(2) 고온의 물리적 증발 공정을 이용하여 촉매제를 제조하므로, 금속이 기체 상태에서 직접 증발되어 초 미세 촉매 입자를 얻을 수 있어, 초 미세 직경 탄소 나노 튜브 및 단일벽 탄소 나노 튜브의 효과적인 제조에 유리하다.(2) Since the catalyst is prepared using a high-temperature physical evaporation process, the metal is directly evaporated in a gaseous state to obtain ultra-fine catalyst particles, which is advantageous for the effective production of ultra-fine diameter carbon nanotubes and single-walled carbon nanotubes. do.
(3) 전체 장치 세트는 촉매제 제조, 탄소 나노 튜브 제조 및 분리 및 수집 기능을 통합하여 연속 제조를 실현할 수 있으며, 높은 생산 효율과 간단한 공정의 특성을 갖는다. (3) The whole set of devices can realize continuous manufacturing by integrating the functions of catalyst preparation, carbon nanotube preparation and separation and collection, and has the characteristics of high production efficiency and simple process.
도 1은 본 발명의 탄소 나노 튜브 제조 장치의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 방법의 실시예 1에서 제조된 탄소 나노 튜브 제품의 전자 현미경 스캐닝 개략도이다.
도 3은 본 발명의 방법의 실시 예 2에서 제조된 탄소 나노 튜브 제품의 전자 현미경 스캐닝 개략도이다.
도에서 각 도면 부호는 다음을 가리킨다: 1. 촉매제 증발 챔버, 2. 캐리어 가스 주입구, 3. 고온 증발 스프레이 건, 4. 촉매제, 5. 유기 탄소원 혼합 가스 주입구, 6. 화학 기상 증착 챔버, 7. 기체-고체 분리 챔버.1 is a schematic structural diagram of a carbon nanotube manufacturing apparatus of the present invention.
2 is an electron microscope scanning schematic diagram of a carbon nanotube product produced in Example 1 of the method of the present invention.
3 is an electron microscope scanning schematic diagram of a carbon nanotube product prepared in Example 2 of the method of the present invention.
Reference numerals in the figure indicate the following: 1. Catalyst evaporation chamber, 2. Carrier gas inlet, 3. High-temperature evaporation spray gun, 4. Catalyst, 5. Organic carbon source mixed gas inlet, 6. Chemical vapor deposition chamber, 7. Gas-solid separation chamber.
다음은 도면 및 구체적 실시예를 참조하여 본 발명의 기술 방안에 대해 더 상세히 설명한다.The following describes the technical solutions of the present invention in more detail with reference to drawings and specific embodiments.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버를 포함한다. 이 장치는 촉매제 증발 챔버를 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버와 밀폐되게 연결하여 고온의 물리적 증발과 화학 기상 증착의 조합 사용을 실현하여 촉매제가 연결 통로를 통해 화학 증착 챔버에 들어가도록 하며, 동시에 가스 경로 시스템은 캐리어 가스와 탄소원 가스를 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버로 각각 통과시켜 촉매제가 고온 분해된 유기 탄소원과 반응하여 탄소 나노 튜브를 생성하게 하며, 또한 가스-고체 분리 챔버를 통해 분리 및 수집한다.As shown in FIG. 1, the apparatus for manufacturing carbon nanotubes of the present invention includes a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber. This device hermetically connects the catalytic agent evaporation chamber with the chemical vapor deposition chamber through a conduit to realize the combined use of high-temperature physical evaporation and chemical vapor deposition, so that the catalyst enters the chemical vapor deposition chamber through the connecting passage, and at the same time the gas path The system passes the carrier gas and the carbon source gas through the catalyst evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber, respectively, so that the catalyst reacts with the high-temperature decomposed organic carbon source to produce carbon nanotubes, and is also separated and collected through the gas-solid separation chamber. .
또한, 상기 탄소 나노 튜브 제조 장치의 구조는 다음과 같다: 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버가 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 밀폐되게 연결된다;In addition, the structure of the carbon nanotube manufacturing apparatus is as follows: a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber and a gas-solid separation chamber are sequentially and tightly connected from left to right;
상기 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버의 연결 위치에는 유기 탄소원 혼합 가스 유입구가 설치되고; 상기 촉매제 증발 챔버의 타단에는 캐리어 가스 유입구와 고온 증발 스프레이 건이 설치된다;An organic carbon source mixed gas inlet is installed at a connection position between the catalytic agent evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber; A carrier gas inlet and a high-temperature evaporation spray gun are installed at the other end of the catalytic agent evaporation chamber;
진공 시스템은 상기 가스-고체 분리 챔버에 연결되고; 상기 가스 경로 시스템은 상기 유기 탄소원 혼합 가스 유입구 및 캐리어 가스 유입구에 각각 연결되며; 냉각 시스템은 상기 화학 기상 증착 챔버의 측벽 상에 설치되고, 전원 시스템은 전원을 제공한다.a vacuum system is connected to the gas-solid separation chamber; the gas passage system is connected to the organic carbon source mixture gas inlet and the carrier gas inlet, respectively; A cooling system is installed on the sidewall of the chemical vapor deposition chamber, and a power supply system provides power.
또한, 상기 촉매제 증발 챔버는 고온의 물리적 증발 방식이고; 상기 고온의 물리적 증발 방식은 고온 아크, 고온 고주파 플라즈마 또는 고온 마이크로파 플라즈마이고; 상기 촉매제 증발 챔버는 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인리스 스틸 쉘이며, 고온 단열층은 다공성 세라믹, 세라믹 섬유 펠트, 흑연 또는 흑연 펠트이다.In addition, the catalyst evaporation chamber is a high-temperature physical evaporation; The high-temperature physical evaporation method is a high-temperature arc, high-temperature radio-frequency plasma or high-temperature microwave plasma; The catalyst evaporation chamber is a double-layer water-cooled stainless steel shell with a high-temperature insulating layer, and the high-temperature insulating layer is porous ceramic, ceramic fiber felt, graphite or graphite felt.
또한, 상기 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노(爐)이다.Also, the chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace.
또한, 기체-고체 분리 챔버에서 채택된 분리 방식은 원심 분리, 사이클론 분리 및 여과 분리 중 하나이다.In addition, the separation method adopted in the gas-solid separation chamber is one of centrifugal separation, cyclone separation and filtration separation.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 탄소 나노 튜브 제조 장치를 이용하여 탄소 나노 튜브를 제조하는 공정 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은 구체적으로 다음과 같은 단계를 포함한다:Another object of the present invention is to provide a process method for manufacturing carbon nanotubes using the above-described carbon nanotube manufacturing apparatus, and the method specifically includes the following steps:
S1 단계) 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 넣고, 진공 시스템을 시작하여 촉매제 증발 챔버의 공기를 배출한 후, 가스 경로 시스템을 시작하여 불활성 기체 캐리어 가스를 통과하도록 전환한다;Step S1) Put the catalyst into the catalyst evaporation chamber, start the vacuum system to exhaust the air in the catalyst evaporation chamber, and then start the gas path system to switch to pass the inert gas carrier gas;
S2 단계) 화학 기상 증착 챔버를 켜서 가열하고, 온도를 지정된 온도로 높인다;Step S2) Turn on and heat the chemical vapor deposition chamber, and raise the temperature to a specified temperature;
S3 단계) 그런 다음, 고온 증발 스프레이 건을 켜서 촉매제 증발 챔버 내의 촉매제를 증발시키고, 관로 연결을 통해 캐리어 가스와 함께 화학 증착 챔버로 들어간다;Step S3) Then, turn on the high-temperature evaporation spray gun to evaporate the catalyst in the catalyst evaporation chamber, and enter the chemical vapor deposition chamber together with the carrier gas through the pipe connection;
S4 단계) 이어서, 화학 기상 증착 챔버 내에 유기 탄소원 기체 혼합 가스를 도입하고, 생성된 생성물은 연결 관로를 통해 캐리어 가스와 함께 기체-고체 분리 챔버로 들어가고, 분리하여 최종 생성물을 얻는다.Step S4) Subsequently, an organic carbon source gas mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber, and the generated product is introduced into the gas-solid separation chamber together with the carrier gas through a connecting pipe, and is separated to obtain a final product.
또한, 상기 S1 단계의 촉매제는 금속 촉매제이고, 상기 금속 촉매제는 철, 코발트 및 니켈 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨 중 어느 하나이다.In addition, the catalyst of the step S1 is a metal catalyst, the metal catalyst includes at least one of iron, cobalt, and nickel, and the carrier gas is any one of nitrogen, argon, and helium.
또한, 상기 S2 단계의 온도는 500-1500 °C이다.In addition, the temperature of the step S2 is 500-1500 °C.
또한, 상기 S3 단계의 고온 증발 스프레이 건의 최고 온도는 2000 °C 이상이고, 출력은 10kW이상이다.In addition, the highest temperature of the high-temperature evaporation spray gun of the step S3 is 2000 ° C or more, and the output is 10 kW or more.
또한, 상기 S4 단계의 유기 탄소원 기체 혼합 가스는 유기 탄소원 기체, 불활성 캐리어 가스 및 수소를 포함하며; 여기서, 상기 유기 탄소원 기체의 부피는 5-80 %이고; 수소의 부피는 0.1-10 %이고, 나머지는 불활성 캐리어 가스이다.In addition, the mixed gas of the organic carbon source gas in step S4 includes an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and hydrogen; Here, the volume of the organic carbon source gas is 5-80%; Hydrogen is 0.1-10% by volume, the remainder being an inert carrier gas.
또한, 상기 유기 탄소원 기체는 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올 및 메탄올 중 하나 이상이다.In addition, the organic carbon source gas is at least one of methane, ethane, ethylene, ethanol and methanol.
실시예 1Example 1
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 아크 장치이고, 출력은 20kW이고, 외층은 흑연 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노(爐)이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 철을 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1200 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화시킨 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1200 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 메탄(45 %), 헬륨(50 %) 및 수소(5 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단(後端)은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현하고, 전자 현미경의 스캐닝을 통해 탄소 나노 튜브 제품의 형태를 얻는다(그림 2 참조).In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature arc device, with an output of 20 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a graphite high-temperature thermal insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using iron as a metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1200 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1200 °C, the organic carbon source mixture gas is methane (45%), helium (50%) and hydrogen (5%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the back end is connected to the cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection, and the scanning electron microscope to carbon nanotubes. Obtains the shape of a nanotube product (see Figure 2).
실시예 2Example 2
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 고주파 플라즈마이고, 출력은 25kW이고, 외층은 다공성 세라믹 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 철을 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 아르곤을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1300 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 아르곤을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1300 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 에틸렌(5 %), 아르곤(85 %) 및 수소(10 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현하고, 전자 현미경의 스캐닝을 통해 탄소 나노 튜브 제품의 형태를 얻는다(그림 3 참조). In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature high-frequency plasma, with an output of 25 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a porous ceramic high-temperature heat insulating layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using iron as a metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then switched to pass through an inert gas carrier gas argon. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1300 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas argon is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1300 °C, the organic carbon source mixture gas is ethylene (5%), argon (85%) and hydrogen (10%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection, and scanning electron microscopy of carbon nanotube products. get the shape (see Figure 3).
실시예 3Example 3
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 마이크로파 플라즈마이고, 출력은 25kW이고, 외층은 세라믹 섬유 펠트 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 철을 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 500 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 500 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 메탄올(80 %), 질소(15 %) 및 수소(5 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현한다. In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature microwave plasma, with an output of 25 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a ceramic fiber felt high-temperature insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using iron as a metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 500 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 500 °C, the organic carbon source mixture gas is methanol (80%), nitrogen (15%) and hydrogen (5%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection.
실시예 4Example 4
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 아크 장치이고, 출력은 20kW이고, 외층은 흑연 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 철을 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1500 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1500 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 에탄올(45 %), 헬륨(54.9 %) 및 수소(0.1 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현한다. In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature arc device, with an output of 20 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a graphite high-temperature thermal insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using iron as a metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1500 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1500 °C, the organic carbon source mixture gas is ethanol (45%), helium (54.9%) and hydrogen (0.1%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection.
실시예 5Example 5
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 아크 장치이고, 출력은 20kW이고, 외층은 흑연 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 코발트를 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1200 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1200 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 에탄(45 %), 헬륨(45 %) 및 수소(5 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현한다. In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature arc device, with an output of 20 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a graphite high-temperature thermal insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using cobalt as the metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1200 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1200 °C, the organic carbon source mixture gas is ethane (45%), helium (45%) and hydrogen (5%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection.
실시예 6Example 6
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 아크 장치이고, 출력은 50kW이고, 외층은 흑연 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 니켈을 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1200 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1200 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 메탄(45 %), 헬륨(45 %) 및 수소(5 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현한다. In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature arc device, with an output of 50 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a graphite high-temperature thermal insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using nickel as the metal catalyst, the catalyst is first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1200 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1200 °C, the organic carbon source mixture gas is methane (45%), helium (45%) and hydrogen (5%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection.
실시예 7Example 7
탄소 나노 튜브 제조 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버, 기체-고체 분리 챔버가 직렬로 연결된다. 여기서, 촉매제 증발 챔버는 고온 아크 장치이고, 출력은 50kW이고, 외층은 흑연 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인레스 스틸 쉘로 구성되며; 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노이며; 기체-고체 분리 챔버는 사이클론 분리 장치이다. 철 및 코발트를 금속 촉매제로 사용하여, 먼저 촉매제를 촉매제 증발 챔버에 배치하고, 공기를 제거하기 위해 배기한 후 불활성 기체 캐리어 가스 헬륨을 통과하도록 전환한다. 동시에 화학 기상 증착 챔버를 1200 °C로 가열한 후 아크 장치에 의해 생성되는 고온 아크를 켜서 철 원자를 기화한 후 캐리어 가스 헬륨을 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버로 전달한다. 화학 기상 증착 챔버의 온도는 1200 °C로 조절되며, 유기 탄소원 혼합 가스는 메탄(45 %), 헬륨(45 %) 및 수소(5 %)이며, 유기 탄소원 혼합 가스 주입구를 통해 화학 기상 증착 챔버로 주입한다. 탄소원은 고온에서 촉매제의 촉매로 분해되어 탄소 나노 튜브를 성장시키고, 후단은 기체-고체 분리를 위한 사이클론 분리 장치에 연결되어 연속 제조 및 수집을 실현한다. In the carbon nanotube manufacturing apparatus, a catalyst evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber are connected in series. Here, the catalytic agent evaporation chamber is a high-temperature arc device, with an output of 50 kW, and the outer layer is composed of a double-layer water-cooled stainless steel shell with a graphite high-temperature thermal insulation layer; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The gas-solid separation chamber is a cyclone separation device. Using iron and cobalt as metal catalysts, the catalysts are first placed in a catalyst evaporation chamber, evacuated to remove air and then diverted through an inert gas carrier gas helium. At the same time, after heating the chemical vapor deposition chamber to 1200 °C, the high-temperature arc generated by the arc device is turned on to vaporize the iron atoms, and then the carrier gas helium is delivered to the chemical vapor deposition chamber through a conduit. The temperature of the chemical vapor deposition chamber is controlled at 1200 °C, the organic carbon source mixture gas is methane (45%), helium (45%) and hydrogen (5%), and the organic carbon source mixture gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber through the inlet. inject The carbon source is decomposed by the catalyst of the catalyst at high temperature to grow carbon nanotubes, and the rear end is connected to a cyclone separation device for gas-solid separation to realize continuous production and collection.
본 발명의 전술한 실시예의 번호는 설명을 위한 것일 뿐, 실시예의 우수성을 나타내지 않는다.The numbers of the above-described embodiments of the present invention are only for explanation, and do not indicate superiority of the embodiments.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 전술한 특정 실시예에 한정되지 않으며, 전술한 구체적인 실시예는 예시적일 뿐, 제한적이지 않다. 본 발명의 계시 하에서, 본 발명의 목적 및 청구 범위의 보호 범위를 벗어나지 않고 많은 형태가 만들어 질 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.In the above, the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the above-described specific embodiments are only illustrative and not restrictive. Under the revelation of the present invention, many forms can be made without departing from the protection scope of the object and claims of the present invention, all of which fall within the protection scope of the present invention.
1: 촉매제 증발 챔버, 2: 캐리어 가스 주입구, 3: 고온 증발 스프레이 건, 4: 촉매제, 5: 유기 탄소원 혼합 가스 주입구, 6: 화학 기상 증착 챔버, 7: 기체-고체 분리 챔버.1: catalyst evaporation chamber, 2: carrier gas inlet, 3: high-temperature evaporation spray gun, 4: catalyst, 5: organic carbon source mixed gas inlet, 6: chemical vapor deposition chamber, 7: gas-solid separation chamber.
Claims (10)
상기 장치는 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버를 포함하며, 상기 장치는 촉매제 증발 챔버를 관로를 통해 화학 기상 증착 챔버와 밀폐되게 연결하여 고온의 물리적 증발과 화학 기상 증착의 조합 사용을 실현하여 촉매제가 연결 통로를 통해 화학 기상 증착 챔버에 들어가도록 하며, 동시에 가스 경로 시스템은 캐리어 가스와 탄소원 가스를 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버로 각각 통과시켜 촉매제가 고온 분해된 유기 탄소원과 반응하여 탄소 나노 튜브를 생성하게 하며, 또한 가스-고체 분리 챔버를 통해 분리 및 수집하며; 상기 장치는 상기 촉매제 증발 챔버, 화학 기상 증착 챔버 및 기체-고체 분리 챔버가 왼쪽에서 오른쪽으로 순차적으로 밀폐되게 연결되는 구조이며; 상기 촉매제 증발 챔버와 화학 기상 증착 챔버의 연결 위치에는 유기 탄소원 혼합 가스 유입구가 설치되고; 상기 촉매제 증발 챔버의 타단에는 캐리어 가스 유입구와 고온 증발 스프레이 건이 설치되며; 진공 시스템은 상기 가스-고체 분리 챔버에 연결되고; 상기 가스 경로 시스템은 상기 유기 탄소원 혼합 가스 유입구 및 캐리어 가스 유입구에 각각 연결되며; 냉각 시스템은 상기 화학 기상 증착 챔버의 측벽 상에 설치되고, 전원 시스템은 전원을 제공하며; 상기 촉매제 증발 챔버는 고온의 물리적 증발 방식이고; 상기 고온의 물리적 증발 방식은 고온 아크, 고온 고주파 플라즈마 또는 고온 마이크로파 플라즈마이며; 상기 촉매제 증발 챔버는 고온 단열층이 구비된 이중층 수냉식 스테인리스 스틸 쉘이며, 상기 고온 단열층은 다공성 세라믹, 세라믹 섬유 펠트, 흑연 또는 흑연 펠트이며; 상기 화학 기상 증착 챔버는 석영 튜브 타입의 노(爐)이고; 상기 기체-고체 분리 챔버에서 채택된 분리 방식은 원심 분리, 사이클론 분리 및 여과 분리 중 어느 하나이며;
상기 방법은:
촉매제를 촉매제 증발 챔버에 넣고, 진공 시스템을 시작하여 촉매제 증발 챔버의 공기를 배출한 후, 가스 경로 시스템을 시작하여 불활성 기체 캐리어 가스를 통과하도록 전환하는 S1 단계;
화학 기상 증착 챔버를 켜서 가열하고, 온도를 지정된 온도로 높이는 S2 단계;
그런 다음, 고온 증발 스프레이 건을 켜서 촉매제 증발 챔버 내의 촉매제를 증발시키고, 관로 연결을 통해 캐리어 가스와 함께 화학 증착 챔버로 들어가는 S3 단계;
이어서, 화학 기상 증착 챔버 내에 유기 탄소원 기체 혼합 가스를 도입하고, 생성된 생성물은 연결 관로를 통해 캐리어 가스와 함께 기체-고체 분리 챔버로 들어가고, 분리하여 최종 생성물을 얻는 S4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법.In the carbon nanotube manufacturing method using a carbon nanotube manufacturing apparatus,
The device includes a catalytic evaporation chamber, a chemical vapor deposition chamber, and a gas-solid separation chamber, and the device hermetically connects the catalytic evaporation chamber with the chemical vapor deposition chamber through a conduit to combine high-temperature physical evaporation and chemical vapor deposition. To realize the use, the catalyst enters the chemical vapor deposition chamber through the connecting passage, and at the same time, the gas passage system passes the carrier gas and the carbon source gas into the catalyst evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber respectively, so that the catalyst is separated from the high-temperature decomposed organic carbon source and react to produce carbon nanotubes, which are also separated and collected through a gas-solid separation chamber; The device has a structure in which the catalyst evaporation chamber, the chemical vapor deposition chamber and the gas-solid separation chamber are sequentially and tightly connected from left to right; An organic carbon source mixed gas inlet is installed at a connection position between the catalytic agent evaporation chamber and the chemical vapor deposition chamber; A carrier gas inlet and a high-temperature evaporation spray gun are installed at the other end of the catalytic agent evaporation chamber; a vacuum system is connected to the gas-solid separation chamber; the gas passage system is connected to the organic carbon source mixture gas inlet and the carrier gas inlet, respectively; A cooling system is installed on the sidewall of the chemical vapor deposition chamber, and a power supply system provides power; The catalyst evaporation chamber is a high-temperature physical evaporation; The high-temperature physical evaporation method is a high-temperature arc, high-temperature radio-frequency plasma or high-temperature microwave plasma; The catalyst evaporation chamber is a double-layer water-cooled stainless steel shell with a high-temperature thermal insulation layer, and the high-temperature thermal insulation layer is porous ceramic, ceramic fiber felt, graphite or graphite felt; The chemical vapor deposition chamber is a quartz tube type furnace; The separation method employed in the gas-solid separation chamber is any one of centrifugal separation, cyclone separation and filtration separation;
The method is:
Step S1 of putting the catalyst into the catalyst evaporation chamber, starting the vacuum system to exhaust the air in the catalyst evaporation chamber, and then starting the gas passage system to switch to pass the inert gas carrier gas;
Step S2 of turning on and heating the chemical vapor deposition chamber and raising the temperature to a specified temperature;
Then, step S3 of turning on the high-temperature evaporation spray gun to evaporate the catalyst in the catalyst evaporation chamber, and entering the chemical vapor deposition chamber together with the carrier gas through the pipe connection;
Subsequently, an organic carbon source gas mixed gas is introduced into the chemical vapor deposition chamber, and the generated product is introduced into the gas-solid separation chamber together with the carrier gas through a connecting pipe, and is separated to obtain a final product in step S4. A method for manufacturing carbon nanotubes.
상기 S1 단계의 촉매제는 금속 촉매제이고, 상기 금속 촉매제는 철, 코발트 및 니켈 중 어느 하나 이상을 포함하고; 상기 캐리어 가스는 질소, 아르곤 및 헬륨 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법.The method of claim 5,
The catalyst of step S1 is a metal catalyst, and the metal catalyst includes at least one of iron, cobalt, and nickel; The carrier gas is a carbon nanotube manufacturing method, characterized in that any one of nitrogen, argon and helium.
상기 S2 단계의 온도는 500-1500 °C인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법.The method of claim 5,
Carbon nanotube manufacturing method, characterized in that the temperature of step S2 is 500-1500 °C.
상기 S3 단계의 고온 증발 스프레이 건의 최고 온도는 2000 °C이상이고, 출력은 10kW 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법.The method of claim 5,
Carbon nanotube manufacturing method, characterized in that the highest temperature of the high-temperature evaporation spray gun of step S3 is 2000 ° C or more, and the output is 10 kW or more.
상기 S4 단계의 유기 탄소원 기체 혼합 가스는 유기 탄소원 기체, 불활성 캐리어 가스 및 수소를 포함하며; 여기서, 상기 유기 탄소원 기체의 부피는 5-80 %이고; 수소의 부피는 0.1-10 %이고, 나머지는 불활성 캐리어 가스인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법.The method of claim 5,
The mixed gas of the organic carbon source gas in step S4 includes an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and hydrogen; Here, the volume of the organic carbon source gas is 5-80%; A method for producing carbon nanotubes, characterized in that the volume of hydrogen is 0.1-10%, and the remainder is an inert carrier gas.
상기 유기 탄소원 기체는 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올 및 메탄올 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브 제조 방법. The method of claim 9,
The organic carbon source gas is a carbon nanotube manufacturing method, characterized in that at least one of methane, ethane, ethylene, ethanol and methanol.
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