一種熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于碳納米管合成裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)研宄實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島(Lijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了碳納米管，又名巴基管。其為由石墨原子單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物。直徑一般在一到幾十個(gè)納米之間，而長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其直徑。
[0003]作為一維納米材料，碳納米管重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近年來(lái)，隨著科學(xué)家對(duì)碳納米管及納米材料研宄的深入，碳納米管廣闊的應(yīng)用前景也不斷的展現(xiàn)出來(lái)。其在超級(jí)電容，儲(chǔ)氫材料，場(chǎng)發(fā)射器，原子力顯微鏡探針，鋰離子電池，催化劑載體，碳納米管復(fù)合材料等方面已經(jīng)得到了一些很好的應(yīng)用。
[0004]隨著科技的發(fā)展以及科學(xué)家們的不懈探索與研宄，成功制備碳納米管的可行方法越來(lái)越多。自碳納米管發(fā)現(xiàn)至今，其主要的合成方法歸結(jié)為以下四種:電弧放電法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法和火焰法。電弧放電法和激光蒸發(fā)法雖然能制備出較高純度的碳納米管，但其設(shè)備普遍較復(fù)雜，功耗大，成本也高，不適合大規(guī)模的合成?；瘜W(xué)氣相沉積法雖然產(chǎn)率較高，但其需要隔絕大氣環(huán)境，且產(chǎn)品的石墨化程度也并不是很高。
[0005]火焰法具備在大氣條件下連續(xù)制備，設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)能，成本低，大尺寸、大規(guī)模批量制備的潛力。國(guó)內(nèi)外不乏通過火焰法成功合成碳納米管的實(shí)例。
[0006]國(guó)外的Vander Wal等報(bào)道了采用熱蒸發(fā)技術(shù)產(chǎn)生催化劑納米微粒的火焰法。該方法基本上以本身燃燒釋放出來(lái)的熱量加熱，大大減少了能源的消耗，從而降低了產(chǎn)品的成本。美國(guó)肯塔基大學(xué)Saito等人主要研宄碳黑的火焰合成，2001年其研宄組的LiM博士利用甲烷和乙烯形成的層流擴(kuò)散火焰成功合成了平均直徑為20nm?60nm的多壁碳納米管。Richter等人通過對(duì)乙炔、氧、氬氣的混合氣燃燒后的炭黑檢測(cè)，觀察到了附著大量非晶碳的單層碳納米管。K.Daschowdhury等在苯、乙炔、乙稀同氧、惰性氣體的混合物燃燒后的炭黑里也發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)的球狀物、管狀物。
[0007]在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的于曉麗等人采用乙炔/空氣預(yù)混法合成了多壁碳納米管。武漢大學(xué)潘春旭等人采用實(shí)驗(yàn)室常用的液態(tài)燃料酒精產(chǎn)生的擴(kuò)散火焰成功合成了碳納米管，該小組的研宄使碳納米管的制備得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)單化。
[0008]火焰法合成碳納米管已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，但還有大量工作需要進(jìn)一步深入研宄。其中，火焰法合成碳納米管需要具備三要素，即熱源、碳源和催化劑。目前火焰法多數(shù)都是碳源氣體一并充當(dāng)燃料氣體直接進(jìn)行燃燒制備碳納米管，從而同時(shí)提供了熱源和碳源。還有一些類型的火焰法制備碳納米管，雖然已經(jīng)將碳源與熱源分開，使合成環(huán)境更加穩(wěn)定，但造成了碳源氣體反應(yīng)之后多余的部分無(wú)法被有效利用的困局?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本實(shí)用新型提供了一種熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)。
[0010]一種熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)，所述熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)包括燃料預(yù)混腔室、噴嘴、合成預(yù)混腔室、合成腔室、尾氣導(dǎo)流通道、噴口、履帶式成品采集探針和傳送帶；其中，合成預(yù)混腔室上方設(shè)置合成腔室，合成預(yù)混腔室與合成腔室相連通；合成腔室上設(shè)置探針通道，履帶式成品采集探針安裝在傳送帶上，沿探針通道貫穿合成腔室；合成腔室頂端兩側(cè)分別設(shè)置I個(gè)尾氣導(dǎo)流通道，合成腔室分別與每個(gè)尾氣導(dǎo)流通道相連通；每個(gè)尾氣導(dǎo)流通道分別彎折延伸至合成腔室外側(cè)；在合成預(yù)混腔室兩側(cè)分別設(shè)置I個(gè)燃料預(yù)混腔室；每個(gè)燃料預(yù)混腔室上分別與燃料管道相連通，每個(gè)燃料管道分別彎折延伸至合成腔室外側(cè)；合成預(yù)混腔室底部分別設(shè)置氫氣進(jìn)口、碳源氣體進(jìn)口和氦氣進(jìn)口 ；每個(gè)燃料預(yù)混腔室底部分別設(shè)置氧化劑氣體進(jìn)口和燃料氣體進(jìn)口。
[0011]所述熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)材質(zhì)為304鋼。
[0012]在所述每個(gè)燃料管道上，分別在合成腔室外側(cè)處設(shè)置噴嘴。
[0013]所述合成腔室上的探針通道為條狀矩形開口形。
[0014]在所述合成腔室側(cè)壁上，探針通道一端設(shè)置探針通道入口，另一端設(shè)置探針通道出口。
[0015]在所述每個(gè)尾氣導(dǎo)流通道上，分別在合成腔室外側(cè)處設(shè)置矩形噴口。
[0016]所述合成腔室的寬度小于合成預(yù)混腔室的寬度。
[0017]所述合成腔室與2個(gè)尾氣導(dǎo)流通道構(gòu)成“T”型結(jié)構(gòu)。
[0018]所述熱解火焰法合成碳納米管的具體方法為:將一定配比和流量的燃料與氧化劑氣體從下部通入到兩側(cè)的燃料預(yù)混腔室，并在噴嘴處點(diǎn)燃形成穩(wěn)定火焰，用來(lái)加熱中間的合成腔室。再將碳源氣體以及各種合成輔助氣體從下部通入到中間的合成預(yù)混腔室進(jìn)行預(yù)混后，流經(jīng)合成腔室進(jìn)行合成反應(yīng)。剩余尾氣通過尾氣導(dǎo)流通道流到兩側(cè)的尾氣排放噴口，經(jīng)下部燃料火焰加熱點(diǎn)燃易燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒，從而形成混合火焰，利用其熱量共同加熱合成腔室，達(dá)到并保持其合適的溫度。
[0019]涂覆有催化劑的成品采集探針在傳送帶的驅(qū)動(dòng)下，由探針通道入口一側(cè)伸入到中心合成腔室。當(dāng)一定時(shí)間后充分采集成品，由另一側(cè)即探針通道出口取出。經(jīng)適當(dāng)后續(xù)處理，即可將成品從探針上取下。之后探針又被重新涂覆催化劑，循環(huán)往復(fù)。從而實(shí)現(xiàn)批量、連續(xù)生產(chǎn)碳納米管的目的。其中，傳送帶驅(qū)動(dòng)成品采集探針進(jìn)出合成腔室的速度可以依靠溫度傳感器與數(shù)字計(jì)時(shí)器等附屬部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0020]當(dāng)然，成品采集探針的高度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)機(jī)制是在探針通道入口上下截開的條形通道。通過有效的密封方法，保證內(nèi)部氣體不會(huì)溢出。高度不同，內(nèi)部區(qū)域的溫度也不同，從而可以達(dá)到在不同溫度(尤其是最佳溫度高度)合成碳納米管的目的。
[0021]另外，通過加長(zhǎng)探針通道出口的條形管道，使其出口處的溫度降低，從而能夠冷卻在高溫環(huán)境生成的碳納米管產(chǎn)品，防止其接觸空氣時(shí)發(fā)生高溫氧化。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0023]本實(shí)用新型裝置解決了利用已有的火焰法合成碳納米管的過程中，通入中間腔室的可燃?xì)怏w僅在頂部出口燃燒耗盡而其產(chǎn)生的熱能未被充分利用的問題；同時(shí)，也可以避免從頂部出口取出取樣探針時(shí)，合成的碳納米管經(jīng)過燃燒的火焰，而被其燒壞的問題；還可以保證碳納米管產(chǎn)物能夠很好的在保護(hù)氣體中得到充分的冷卻，從而取出后接觸到空氣不會(huì)被高溫氧化；取樣高度連續(xù)可調(diào)，可以配合外部?jī)蓚?cè)的火焰，在內(nèi)部取樣腔室的不同高度上造成的溫度不同的規(guī)律，在不同溫度條件下合成碳納米管。另外，通過傳送帶的配合驅(qū)動(dòng)，也可以達(dá)到連續(xù)批量合成碳納米管的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本實(shí)用新型熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本實(shí)用新型熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)的底部氣體入口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中標(biāo)號(hào):1-探針通道入口、2-探針通道出口、3-合成腔室、4-尾氣導(dǎo)流通道、5-噴口、6-合成預(yù)混腔室、7-燃料預(yù)混腔室、8-噴嘴、9-履帶式成品采集探針、10-傳送帶、11-氫氣進(jìn)口、12-碳源氣體進(jìn)口、13-氦氣進(jìn)口、14-氧化劑氣體進(jìn)口、15-燃料氣體進(jìn)口。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本實(shí)用新型提供了一種熱解火焰法連續(xù)合成碳納米管的系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0029]一種熱解火焰法連續(xù)合成