气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及碳纳米管制备技术领域，具体一种利用气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。本发明专利技术制备方法包括催化剂的给料、碳氢化合物催化裂解和冷却收集步骤。本发明专利技术利用碳纳米管催化剂自身重力至上而下移动，并在裂解室内设置多级气相阻尼圈对催化剂下落速度阻尼控制，延长催化剂在裂解室内漂浮时间，实现催化剂与碳源气体充分接触，还可分别通过调节超声振动筛频率和筛网目数、催化剂进给计量和裂解温度、气相阻尼圈数量等措施，实现不同催化剂及不同碳源气体，制备各种碳纳米管，一台设备通用，大大增加了碳纳米管生产的应用范围，为同一设备制备不同规格碳纳米管的制备提供了可能。

【技术实现步骤摘要】
气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及方法
本专利技术涉及碳纳米管制备
，具体一种利用气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。
技术介绍
碳纳米管作为一维纳米材料，其重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管具有中空的结构，可以用作微型模具。即在其内部可填充金属、氧化物等物质，制备出最细的纳米尺度的导线等，用于未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中。还可制作碳纳米管增的塑料、碳纳米管增强陶瓷复合材料、金属基复合材料，还可以做最细的试管以及能称量单个原子质量的“纳米秤”等等。碳纳米管，又名巴基管，作为世界公认的最细的纤维，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walledCarbonnanotubes,SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walledCarbonnanotubes,MWCNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。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。单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成：锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性；这些材料由于具备良好的导电性、高机械性能和高比表面积，在电化学催化和储能等可再生能源转换
中占据着重要角色。目前碳纳米管的宏量制备方法主要是催化裂解法、电弧放电法和化学气相沉积法，其中，催化裂解法是在600～1000℃的温度及催化剂的作用下，使含碳气体原料（如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等）分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子，碳原子在过渡金属-催化剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态，改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响，金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物也被使用过。电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法，将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000℃左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。电弧放电法也存在较多的缺陷，而化学气相沉积法正好弥补了电弧放电法存在的部分缺陷，化学气相沉积法是利用催化剂裂解碳氢化合物，以活性金属原子为催化剂晶核，碳原子以该核沉积生成碳纳米管。根据化学气相沉积法的原理可以知道，催化剂活性组分与碳源气体接触越充分，碳氢键裂解产生的碳原子就越多的沉积生长在活性金属表面，生长的碳纳米管就越多，生长形貌就越好。化学沉积法在工程化生产中，其实现手段主要有移动法和沸腾法（又称流化床法）。移动法利用料舟作为载具，将催化剂放入料舟在管式炉炉管内移动，在条件具备区域内，生长碳纳米管；移动法生产过程中，催化剂固定在料舟内，完全依靠碳源气体在料舟催化剂堆放表面及渗透进入接触催化剂，也就是说，催化剂是被动与碳源气体接触，因此存在催化剂与碳氢化合物接触不充分，影响碳纳米管生长等缺点，导致只能用于低倍率的碳纳米管制备，通常以甲烷作为碳源，同时，CVD方法使用的催化剂金属(主要有Fe系、Ni系和Co系等)会残留在碳纳米管中，而且很多都被包覆在碳纳米管的端部。为了克服移动床的上述缺点，出现了沸腾法（又称流化床法）生产碳纳米管，沸腾法利用氮气将催化剂吹悬浮于充满碳氢化合物的井式炉内，碳源气体与催化剂活性金属实现充分接触，更好的生长碳纳米管。但是，沸腾法也存在氮气压力不稳定，导致生长过程难控制等缺点，同时在碳源气体环境中大量冲入氮气，稀释碳源气体，为保证碳纳米管生长就必须大过量冲入碳源气体，一方面井式炉内压力不能太高，为了保持一定压力，就要大量排出炉内气体，导致大量碳源气体没有裂解就排出，造成碳源气体转化率低，环境污染大等缺点，沸腾法只能用于小管径碳纳米管制备，通常以丙烯作为碳源。移动法和沸腾法对催化剂的制备有各自的特殊要求，催化剂无法通用。而且现有碳纳米管的制备设备大多功能单一，往往一个设备只能制备同一规格的碳纳米管，且设备不是一体化，碳纳米管催化剂加入后还需要给予一定的运输动力，导致资源大大浪费，且增加了生产成本。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了公开了一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、制备装置及制备方法，解决了现有技术中碳纳米管的制备方法与装置制备的碳纳米管规格单一，不能采用同一装置，通过控制不同原料加入量和工艺来制备不同规格的碳纳米管，且现有方法制备的碳纳米管质量较差的技术问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，包括以下步骤：（1）、催化剂的给料：氮气将碳纳米管催化剂由催化剂加料口吹送到裂解室顶部的超声震动筛，超声振动筛按量均匀的将催化剂从裂解室顶部投下进入裂解室；本专利技术利用超声振动筛给料催化剂，由裂解室顶部将催化剂撒下，利用催化剂的自身重量下落，无需送料；催化剂超声振动筛给料的有益效果在于：既可实现催化剂定量给料，又能防止催化剂筛网堵塞；通过控制超声震动频率和筛网目数，可实现对不同催化剂不同剂量进给；（2）、碳氢化合物催化裂解：裂解室外设置有用于加热裂解室的加热炉，向裂解室通入氮气置换氧气，系统氧含量小于2%后，加热炉加热，将碳源气体由裂解室下端碳源进气口通入，步骤（1）的碳纳米管催化剂依次进入第一级气相阻尼圈内、第二级气相阻尼圈内…第N级气相阻尼圈内，碳纳米管催化剂下落速度被气相阻尼圈内的氮气阻尼延缓N次，增加其在裂解室加热时间和与碳源气体接触时间，直至碳源气体与裂解室内的碳纳米管催化剂充分反应，碳氢键裂解，碳原子以碳纳米管催化剂晶核为核沉积生长成碳纳米管，碳源气体与碳纳米管催化剂反应后的气体经过滤器由裂解室顶部的废气口排出；其中，1≤N≤100；（3）、冷却收集：裂解室内生成的碳纳米管从位于裂解室底端的出料口进入冷却室冷却后由排料口排出，得到碳纳米管。进一步的，所述一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，可以根据不同碳纳米管催化剂或不同碳源气体，通过控制不同加热炉温度、气相阻尼圈数、超声振动筛催化剂给料量及碳源气体流量，可以制备不同规格碳纳米管。进一步的，所述一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，步骤（1）中所述碳纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）、催化剂的给料：利用氮气将碳纳米管催化剂由催化剂加料口吹送到裂解室顶部的超声震动筛，超声振动筛按量均匀的将催化剂从裂解室顶部投下进入裂解室；/n（2）、碳氢化合物催化裂解：裂解室外设置有用于加热裂解室的加热炉，向裂解室通入氮气置换氧气，系统氧含量小于2%后，加热炉加热，将碳源气体由裂解室下端碳源进气口通入，步骤（1）的碳纳米管催化剂依次进入第一级气相阻尼圈内、第二级气相阻尼圈内…第N级气相阻尼圈内，碳纳米管催化剂下落速度被气相阻尼圈内的氮气阻尼延缓N次，增加其在裂解室加热时间和与碳源气体接触时间，直至碳源气体与裂解室内的碳纳米管催化剂充分反应，碳氢键裂解，碳原子以碳纳米管催化剂晶核为核沉积生长成碳纳米管；其中，1≤N≤100；/n（3）、冷却收集：裂解室内生成的碳纳米管从位于裂解室底端的出料口进入冷却室冷却后由排料口排出，得到碳纳米管。/n

【技术特征摘要】
1.一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、催化剂的给料：利用氮气将碳纳米管催化剂由催化剂加料口吹送到裂解室顶部的超声震动筛，超声振动筛按量均匀的将催化剂从裂解室顶部投下进入裂解室；
（2）、碳氢化合物催化裂解：裂解室外设置有用于加热裂解室的加热炉，向裂解室通入氮气置换氧气，系统氧含量小于2%后，加热炉加热，将碳源气体由裂解室下端碳源进气口通入，步骤（1）的碳纳米管催化剂依次进入第一级气相阻尼圈内、第二级气相阻尼圈内…第N级气相阻尼圈内，碳纳米管催化剂下落速度被气相阻尼圈内的氮气阻尼延缓N次，增加其在裂解室加热时间和与碳源气体接触时间，直至碳源气体与裂解室内的碳纳米管催化剂充分反应，碳氢键裂解，碳原子以碳纳米管催化剂晶核为核沉积生长成碳纳米管；其中，1≤N≤100；
（3）、冷却收集：裂解室内生成的碳纳米管从位于裂解室底端的出料口进入冷却室冷却后由排料口排出，得到碳纳米管。


2.根据权利要求1所述一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，根据不同碳纳米管催化剂或不同碳源气体，通过控制不同加热炉温度、气相阻尼圈数、超声振动筛催化剂给料量及碳源气体流量，可以制备不同规格碳纳米管。


3.根据权利要求1或2所述一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（1）中所述碳纳米管催化剂为镍基催化剂、铁基催化剂、钴基催化剂中的至少一种；所述超声振动筛催化剂给料量为1～300g/min，优选为1～2g/min，由超声频率和筛网目数决定。


4.根据权利要求1或2所述一种气相阻尼法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（2）中所述加热炉加热温度为600～800℃。

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【专利技术属性】
技术研发人员：岳山，
申请(专利权)人：内蒙古骏成新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙;15