一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于纳米材料制备技术领域，涉及一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置和方法。该装置包括：送粉器、产物合成单元和产物收集单元，所述装置还包括用于对催化剂粒子进行预热和加速的催化剂预处理单元；其中，所述送粉器与所述催化剂预处理单元的一端连接，所述催化剂预处理单元的另一端与所述产物合成单元的一端连接，所述产物合成单元的另一端与所述产物收集单元连接，且所述产物合成单元与所述催化剂预处理单元连接的一端的端部设有碳源混合气体入口。本发明专利技术所述装置和方法易于实施，有利于实现单壁碳纳米管的规模化连续制备，对助推单壁碳纳米管产业化具有重大意义，同时对于其他类似反应器有相似的效果，具有一定的通用性。有一定的通用性。有一定的通用性。

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置和方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，涉及一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置和方法。

技术介绍

[0002]单壁碳纳米管(SWCNT) 作为一种新型的纳米材料具有优异的力学和电学性能，以及巨大的长径比和高比表面积，在电化学储能、催化、复合和纳米器件等方面具有潜在的应用前景。国内外的很多高校、科研机构以及公司都在研究如何能够合将单壁碳纳米管规模化生产。
[0003]迄今为止，制备单壁碳纳米管的方法主要存在三种方式：电弧法、激光烧蚀法和等离子体CVD学气相沉积法，与这些方法相比，浮动催化化学气相沉积(FCCVD)是一种经济的方法，因此近十年来最普遍的合成方法。
[0004]浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)是将含有金属催化剂的碳氢化合物的混合物在通入载气时注入到高温反应器中，碳源在催化剂作用下形成SWCNT，大量的SWCNT自组装形成气凝胶结构，在载气作用下气凝胶会被吹到出口位置进行收集，碳纳米管气凝胶难以实现连续性收集。
[0005]现有技术中有通过控制硫的量来控制产量，文献Nanoscale,2019，11，18483
–
1849，通过控制铁和硫（Fe/S）比生长高度石墨化（G/D 比 约100）单壁碳纳米管，在一定条件下如果Fe/S比率足够低，则生产可以在一定程度下放大，但单壁碳纳米管的产量不足以产生数量级的变化。
[0006]中国专利技术专利公开号为CN109437157A申请公开了一种单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积方法，采用0.3升反应腔体的水平式管式炉(炉管内径39 mm，反应区长度250 mm)，其产能为0.32克每小时，未能突破日产百克产量技术难题。
[0007]反应器尺寸因素也在制约着浮动催化化学气相沉积法制备单壁碳纳米管产能，中国专利技术专利公开号为CN111348642A通过增加反应管道进一步提高反应效率，提高反应产能；采用单根0.5升反应腔体的单根立式反应管道(炉管内径50 mm，反应区长度250 mm)，其产能为1.1克每小时；采用十根0.5升反应腔体的立式反应管道(炉管内径50 mm，反应区长度250 mm)阵列式排列，其产能为11克每小时，还是难以突破日产千克级单壁碳纳米管的产能，且产物收集连续性不可控。
[0008]由于制备出的碳纳米管的直径取决于催化剂的金属结晶尺寸大小，因此在浮动催化化学气相沉积中控制分布较窄尺寸的催化剂纳米颗粒，对生成单壁碳纳米管至关重要，催化剂尺寸在没有遇到碳源进行生长之前，停留时间过长，催化剂颗粒持续长大，易生成多壁碳纳米管和石墨化碳等副产物。
[0009]产量是制约FCCVD制备单壁碳纳米管技术方案产业化的难题。如何制备大量尺寸分布较窄的催化剂颗粒在反应区与碳源进行反应是实现浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的宏亮制备的关键技术。

技术实现思路

[0010]本专利技术公开了一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置及方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
[0011]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置，所述装置包括：送粉器、产物合成单元和产物收集单元，所述装置还包括用于对催化剂粒子进行预热和加速的催化剂预处理单元；其中，所述送粉器与所述催化剂预处理单元的一端连接，所述催化剂预处理单元的另一端与所述产物合成单元的一端连接，所述产物合成单元的另一端与所述产物收集单元连接，且所述产物合成单元与所述催化剂预处理单元连接的一端的端部设有碳源混合气体入口。
[0012]进一步，所述催化剂预处理单元包括主体、气体预热器和加速单元，其中，所述主体的一端为入口，一端为出口，所述加速单元设置在所述主体内部，位于所述主体入口一端设有催化剂入口、催化剂助剂入口和载气注入口；所述主体的侧壁上还设有若干载气注入口，位于所述主体的侧壁上的若干所述载气注入口均与所述加速单元连通；所述气体预热器设置在每个所述载气注入口上。
[0013]进一步，所述产物合成单元的反应室的体积是催化剂预处理单元的主体内部的体积的50
‑
200倍，且催化剂预处理单元的总体积为0.3L
‑
30L。
[0014]进一步，所述加速单元包括若干加速单体，若干所述加速单体采用首尾嵌套方式构成非封闭锥形结构；且每个所述加速单体呈圆台型，每个加速单体的轴向与侧边的夹角3
‑
60度。
[0015]所述非封闭锥形结构包括至少3个加速单体，且若干节加速单体之间的所述夹角相同，或者等比例依次增大。所述且所述加速单体材质为310S不锈钢、钽、钨或石墨。
[0016]本专利技术的另一目的是提供一种采用上述的装置制备单壁碳纳米管的方法，所述方法具体包括以下步骤：S1）将催化剂置于送粉器中，通入惰性气体进行排空；S2）启动催化剂预处理单元和产物合成单元，并预热催化剂预处理单元，且产物合成单元加热，备用；S3）通过送粉器将催化剂定量注入催化剂预处理单元，载气被预热后与注入催化剂助剂和催化剂形成混合气流，并对混合气流进行加速，加速后送入产物合成单元；S4）再将预热的碳源混合气注入产物合成单元，所述碳源混合气与混合气流在产物合成单元内进行反应，生成的产物通过连接管道随气体进入产物收集单元，分离后获得最终的产物。
[0017]进一步，所述S2）中所述催化剂预处理单元的预热温度为200
‑
680℃；所述产物合成单元加热至800
‑
1600℃；所述S3）中的载气的预热温度为200
‑
680℃；催化剂和催化助剂中的铁/硫比为1:3
‑
1:14；所述催化剂预处理单元出口处的气体流速为5
‑
50米每秒；所述S4）中的碳源混合气的预热温度为300
‑
550℃。
[0018]进一步，所述S3）中的载气为氩气和氢气混合气；
所述催化剂为二茂铁；所述的催化助剂为噻吩、二甲基亚砜、二硫化碳或其他含硫化合物；S4）中碳源混合气包括碳源气体的体积为5
‑
45%；还原性气体体积为10
‑
50%，水蒸气0.1
‑
5%，其余为惰性气体。
[0019]进一步，所述碳源气为甲烷、乙烯和丙烯中的至少一种，所述还原性气体为氢气、一氧化碳或氨气中的至少一种，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气。
[0020]一种单壁碳纳米管，所述单壁碳纳米管采用上述的方法制备得到。
[0021]本专利技术的有益效果是：由于采用上述技术方案，本专利技术通过先制备尺寸分布较窄催化剂纳米颗粒，然后用催化剂预处理单元将尺寸分布较窄催化剂颗粒在没有进一步长大之前送入到反应腔与碳源混合气进行反应，这样在反应腔中保持大量尺寸分布较窄的催化剂颗粒，从而为浮动催化裂解规模化生产单壁碳纳米管铺平了道路，展示了可扩展性。
[0022]通过预热载气让粉末状的催本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可扩展浮动催化裂解制备单壁碳纳米管的装置，所述装置包括：送粉器、产物合成单元和产物收集单元，其特征在于，所述装置还包括用于对催化剂粒子进行预热和加速的催化剂预处理单元；其中，所述送粉器与所述催化剂预处理单元的一端连接，所述催化剂预处理单元的另一端与所述产物合成单元的一端连接，所述产物合成单元的另一端与所述产物收集单元连接，且所述产物合成单元与所述催化剂预处理单元连接的一端的端部设有碳源混合气体入口。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂预处理单元包括主体、气体预热器和加速单元，其中，所述主体的一端为入口，一端为出口，所述加速单元设置在所述主体内部，位于所述主体入口一端设有催化剂入口、催化剂助剂入口和载气注入口；所述主体的侧壁上还设有若干载气注入口，位于所述主体的侧壁上的若干所述载气注入口均与所述加速单元连通；所述气体预热器设置在每个所述载气注入口上。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述产物合成单元的反应室的体积是催化剂预处理单元的主体内部的体积的50
‑
200倍。4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加速单元包括若干加速单体，若干所述加速单体采用首尾嵌套方式构成非封闭锥形结构；且每个所述加速单体呈圆台型，每个加速单体的轴向与侧边的夹角3
‑
60度。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述非封闭锥形结构包括至少3个加速单体，且所述加速单体材质为310S不锈钢、钽、钨或石墨。6.一种采用如权利要求1
‑
5任意一项所述的装置制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：S1）将催化剂置于送粉器中，通入惰性气体进行排空；S2）启动催化剂预处理单元和产物合成单元，并预热催化剂预处理单元，且产物合成...

【专利技术属性】
技术研发人员：常艺，陈名海，徐乐乐，梁晨，陶宇轩，
申请(专利权)人：江西铜业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：