專利名稱:用于電弧法制備碳納米管的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種納米技術(shù)領(lǐng)域的裝置,具體是一種用于電弧法制備碳納米管 的裝置。
背景技術(shù):
碳納米管(Carbon nanotube; CNT)自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來,由于其具有優(yōu) 良的機械性能和可調(diào)制的電學(xué)性能,使得碳納米管在納電子器件、場發(fā)射技術(shù)、 生物載藥、儲氫技術(shù)等等諸多領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用潛力。碳納米管可分為單璧碳 納米管(SWNT)、雙璧碳納米管(D麗T)、多壁碳納米管(MWNT)。其中單璧碳納米管 作為優(yōu)良的一維納米材料,因其具有較高的載流子遷移率而被用作制造場效應(yīng)晶 體管、薄膜晶體管等納電子器件,有望取代硅材料而成為下一代微電子器件的關(guān) 鍵材料。電弧放電法(Arc discharging)制備碳納米管(Takikawa, H. Journal of the Vacuum Society of Japan, 2008, Vol. 51, P. 240 244)是目前比較普遍的 制備方法之一。電弧放電法是指在充有一定氣體(惰性氣體或含有活化氣體的混 合氣體)的反應(yīng)腔體中,兩石墨電極(其中陽極石墨棒中含有催化劑)間在一定 的電壓下發(fā)生電弧放電,碳原子在一定的溫度和催化劑作用下重排形成中空管狀 產(chǎn)物,即碳納米管。產(chǎn)物主要為網(wǎng)狀、薄膜狀,懸掛于反應(yīng)腔內(nèi)壁。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn),中國實用新型專利說明書CN2632063Y (公 告日2004.8.11)公開了一種"電弧法制備碳納米管的新型電極裝置",該裝置 的工作原理是使用真空反應(yīng)腔體,反應(yīng)腔體的一端接入陽電極,通過導(dǎo)線與石 墨棒相連;反應(yīng)腔體的另一端接入陽電極,通過導(dǎo)電線與石墨平板相連。從排氣 口抽真空,從入氣口充入惰性保護氣體。接通電流,移動軸桿,起弧,放電。放 電過程結(jié)束后,冷卻后打開密封法蘭,取出反應(yīng)生成物,絕大部分的生成物集中 在石墨平板的周圍,刮取沉淀在石墨平板徑向表面的橡膠薄膜狀沉淀物,收取懸 掛在石墨平板周圍的網(wǎng)狀生成物。該實用新型所涉及的裝置可使得反應(yīng)腔體中的熱傳導(dǎo)分布更為合理,使得原來沉淀在棒式陰電極軸向表面及反應(yīng)腔體內(nèi)壁上的 橡膠薄膜狀生成物集中到了平板式石墨平板上的徑向表面上及周圍,使得生成的 產(chǎn)物缺陷少,純度高,產(chǎn)率高。但是由于連續(xù)的電弧反應(yīng)使得后產(chǎn)生的無定型碳 等雜質(zhì)附著在先前形成的碳納米管網(wǎng)狀產(chǎn)物上從而導(dǎo)致產(chǎn)品純度降低,使得所制 備的碳納米管純度不高,無定形碳等雜質(zhì)較多,顯然,該實用新型涉及的裝置無 法解決該問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種用于電弧法制備碳納米管 的裝置。本發(fā)明的裝置使碳納米管在收集轉(zhuǎn)盤上生長能夠保持一相對穩(wěn)定的溫 度;還可使生長的碳納米管不被后續(xù)產(chǎn)生的無定形碳等雜質(zhì)附著,進而能夠提高 制備的碳納米管的純度。本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的,本發(fā)明包括陰極石墨棒、陽極石墨棒、反應(yīng)腔體、陽極石墨棒推進裝置、 進氣口、抽氣口、刮板、熱電偶、收集轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動馬達、碳納米管收集盒,其中, 陽極石墨棒固定于陽極石墨棒推進裝置上,陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置, 中間留有空隙,收集轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動馬達相連,刮板與收集轉(zhuǎn)盤的收集面相切,碳納 米管收集盒位于收集轉(zhuǎn)盤的下方,熱電偶和驅(qū)動馬達固定于反應(yīng)腔體上,進氣口 和抽氣口位于反應(yīng)腔體上。所述陽極石墨棒與陰極石墨棒之間的空隙為2 9mm。 所述的陽極石墨棒和陰極石墨棒的下方設(shè)置固定石墨盤。所述收集轉(zhuǎn)盤與陽極石墨棒之間的距離為20 80腿。 所述收集轉(zhuǎn)盤的表面為平面或者凹面。 所述驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速為1 100rpm。所述陽極石墨棒含有以下組合中的一種或者幾種物質(zhì)的混合鐵、鈷、鎳、 鐿、鈰、鐵的化合物、鈷的化合物、鎳的化合物、鐿的化合物和鈰的化合物。本發(fā)明在電弧放電制備碳納米管過程中,通過手動或自動石墨棒推進裝置補 給消耗的陽極碳棒,以維持兩電極相對穩(wěn)定的放電間隙,從而實現(xiàn)半自動碳納米 管生產(chǎn);并用根據(jù)實際情況調(diào)整驅(qū)動馬達來控制收集轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,同時在收集轉(zhuǎn)盤 下面安裝一刮板及時將生長出碳納米管刮去,落入收集盒中。進一步地,可在兩放電電極的下方的安裝一固定石墨盤,一方面阻擋電弧放電過程中保護氣體對所 產(chǎn)生碳原子團的沖擊,使得電弧放電產(chǎn)生的碳原子團能夠相對均勻地分布腔體 中;另一方面有利于保護電弧放電產(chǎn)生的高溫以便碳原子能夠在一合適的溫度生 長成碳納米管。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下的有益效果本發(fā)明提高了電弧法制備碳 納米管的純度、優(yōu)化了碳納米管生長的條件;本發(fā)明的裝置解決了電弧放電法制 備碳納米管過程中反應(yīng)腔體溫度梯度大,及產(chǎn)生的雜質(zhì)附著在先前形成的碳納米 管網(wǎng)上造成純度降低等問題;本發(fā)明的裝置使碳納米管在收集轉(zhuǎn)盤上生長能夠保 持一相對穩(wěn)定的溫度,使得碳納米管的生長環(huán)境更加適宜;另一方面生長的碳納 米管不被后續(xù)產(chǎn)生的無定形碳等雜質(zhì)附著,從而能維持收集轉(zhuǎn)盤溫度的一致性; 進而能夠提高制備的碳納米管的純度。
圖1為本發(fā)明的裝置局部示意圖; 圖2為本發(fā)明的裝置整體示意圖; 圖3為實施例1的裝置示意圖。
具體實施例方式
以下實例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施,給出了詳細的實施方式和過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法,通常按照常規(guī)條件, 或按照制造廠商所建議的條件。
在圖1,圖2和圖3中,各附圖標(biāo)記代表的含義如下1陰極石墨棒、2陽 極石墨棒、3刮板、4碳納米管、5熱電偶、6收集轉(zhuǎn)盤、7驅(qū)動馬達、8固定石 墨盤、9反應(yīng)腔體、IO碳納米管收集盒、ll陽極石墨棒推進裝置、12進氣口、 13抽氣口。
實施例1
本實施例的制備裝置如圖3所示,包括陰極石墨棒l、陽極石墨棒2、刮 板3、熱電偶5、收集轉(zhuǎn)盤6、驅(qū)動馬達7、固定石墨盤8、反應(yīng)腔體9、碳納米 管收集盒IO、陽極石墨棒推進裝置ll、進氣口 12、抽氣口 13,其中,陽極石墨棒2直徑為6mm,長80mm;陽極石墨棒2含有Ni/Co/Fe催化劑(Ni: Co: Fe的
質(zhì)量比5: 1: 1,石墨占陽極石墨棒總質(zhì)量的95%);陽極石墨棒2固定于陽極石 墨棒推進裝置ll上;陰極石墨棒1為高純石墨棒,其直徑為8mm,長度300mm; 陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有3mm的間距;固定石墨盤8位于陽 極石墨棒2和陰極石墨棒1的下方40mm處;收集轉(zhuǎn)盤6與驅(qū)動馬達7相連,刮 板3與收集轉(zhuǎn)盤6的收集面相切,碳納米管收集盒10位于收集轉(zhuǎn)盤6的下方, 熱電偶5和驅(qū)動馬達7固定于反應(yīng)腔體9上,收集轉(zhuǎn)盤6位于陽極石墨棒2上方 20mm處,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,進氣口 12和抽氣口 13 位于反應(yīng)腔體上。
使用本實施例的裝置制備碳納米管的過程如下-
先用機械泵或者分子泵通過抽氣口 13將反應(yīng)腔體9中的空氣抽出,使得反 應(yīng)腔體9內(nèi)的氣壓達到3X10—3Pa,此時,通過進氣口 12向反應(yīng)腔體9內(nèi)通入 12KPa氫氣和18KPa氬氣的混合氣體;
在兩電極間施加60 70V電壓,引起電弧放電,然后調(diào)節(jié)兩石墨電極間的電 壓,使放電電流維持在90 100A,電弧放電過程中,由于陽極石墨棒2不斷被 消耗,因此通過石墨棒推進裝置ll及時推進陽極石墨棒,使之與陰極石墨棒之 間保持3鵬的間距,推進速度在5 15mm/min;
隨著放電的進行,收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上開始生長碳納米管產(chǎn)物,此時,開 動驅(qū)動馬達7,調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達7的轉(zhuǎn)速,使得收集轉(zhuǎn)盤6 (收集轉(zhuǎn)盤的表面為平 面)的轉(zhuǎn)速在60 100rpm,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,確 保收集轉(zhuǎn)盤收集面的溫度在600 70(TC;固定石墨盤8 —方面阻擋電弧放電過 程中保護氣體對所產(chǎn)生碳原子團的沖擊,使得電弧放電產(chǎn)生的碳原子團能夠相對 均勻地分布腔體中;另一方面可保護電弧放電產(chǎn)生的高溫以便碳原子能夠順利生 長成碳納米管;收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上生長的碳納米管產(chǎn)物持續(xù)性地被刮板3刮 下,落入收集盒10中。
電弧放電結(jié)束后,通過抽氣口 13抽去腔體9內(nèi)氣體,然后緩慢通入空氣至 腔體9內(nèi)氣壓達到1個大氣壓,即可打開腔體9,取出產(chǎn)物收集盒IO,即獲得純 度較高的碳納米管4。實施例2
本實施例的制備裝置,包括陰極石墨棒1、陽極石墨棒2、反應(yīng)腔體9、 陽極石墨棒推進裝置ll、進氣口 12、抽氣口 13、刮板3、熱電偶5、收集轉(zhuǎn)盤6、 驅(qū)動馬達7、碳納米管收集盒IO。其中,陽極石墨棒2直徑為6mm,長80mm;陽 極石墨棒2以Ni、 YA、石墨粉為原料(Ni與丫203的作用為催化劑),按Ni:Y:C 的摩爾數(shù)比例為4.2:1:94.8進行配料,混合均勻后壓棒成型;陽極石墨棒2固 定于陽極石墨棒推進裝置11上;陰極石墨棒1為高純石墨棒,其直徑為8mm, 長度300mm;陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有2mm的間距;收集轉(zhuǎn) 盤6與驅(qū)動馬達7相連,刮板3與收集轉(zhuǎn)盤6的收集面相切,碳納米管收集盒 10位于收集轉(zhuǎn)盤6的下方,熱電偶5和驅(qū)動馬達7固定于反應(yīng)腔體9上,收集 轉(zhuǎn)盤6位于陽極石墨棒2上方lOmm處,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面 的溫度,進氣口 12和抽氣口 13位于反應(yīng)腔體上。
使用本實施例的裝置制備碳納米管的過程如下
先用機械泵或者分子泵通過抽氣口 13將反應(yīng)腔體9中的空氣抽出,使得反 應(yīng)腔體9內(nèi)的氣壓達到2Xl(TPa,此時,通過進氣口 12向反應(yīng)腔體9內(nèi)通入 30KPa氦氣;
在兩電極間施加60 70V電壓,引起電弧放電,然后調(diào)節(jié)兩石墨電極間的電 壓,使放電電流維持在10A,電弧放電過程中,由于陽極石墨棒2不斷被消耗, 因此通過石墨棒推進裝置11及時推進陽極石墨棒,使之與陰極石墨棒之間保持 2ram的間距,推進速度在10 20mm/min;
隨著放電的進行,收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上開始生長碳納米管產(chǎn)物,此時,開 動驅(qū)動馬達7,調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達7的轉(zhuǎn)速,使得收集轉(zhuǎn)盤6 (收集轉(zhuǎn)盤的表面為平 面)的轉(zhuǎn)速在l 10rpm,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,確保 收集轉(zhuǎn)盤收集面的溫度在700 800°C;收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上生長的碳納米管 產(chǎn)物持續(xù)性地被刮板3刮下,落入收集盒10中。
電弧放電結(jié)束后,通過抽氣口 13抽去腔體9內(nèi)氣體,然后緩慢通入空氣至 腔體9內(nèi)氣壓達到l個大氣壓,即可打開腔體9,取出產(chǎn)物收集盒IO,即獲得純 度較高的碳納米管。實施例3
本實施例的制備裝置,包括陰極石墨棒1、陽極石墨棒2、反應(yīng)腔體9、 陽極石墨棒推進裝置ll、進氣口 12、抽氣口 13、刮板3、熱電偶5、收集轉(zhuǎn)盤6、 驅(qū)動馬達7、碳納米管收集盒IO。其中,陽極石墨棒2直徑為6mm,長80mm;陽 極石墨棒2采用Ni、 Y203、 Ce02、石墨粉為原料(Ni、 Y203、 Ce02的作用為催化劑), 按Ni:Y:Ce:C的摩爾數(shù)比例為4. 2:1:0. 1:94. 7進行配料,混合均勻后壓棒成型; 陽極石墨棒2固定于陽極石墨棒推進裝置11上;陰極石墨棒1為高純石墨棒, 其直徑為8mm,長度300mm;陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有2mm 的間距;收集轉(zhuǎn)盤6與驅(qū)動馬達7相連,刮板3與收集轉(zhuǎn)盤6的收集面相切,碳 納米管收集盒10位于收集轉(zhuǎn)盤6的下方,熱電偶5和驅(qū)動馬達7固定于反應(yīng)腔 體9上,收集轉(zhuǎn)盤6位于陽極石墨棒2上方80mm處,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn) 盤6的收集面的溫度,進氣口 12和抽氣口 13位于反應(yīng)腔體上。
使用本實施例的裝置制備碳納米管的過程如下
先用機械泵或者分子泵通過抽氣口 13將反應(yīng)腔體9中的空氣抽出,使得反 應(yīng)腔體9內(nèi)的氣壓達到2.5X10—3pa,此時,通過進氣口 12向反應(yīng)腔體9內(nèi)通入 80KPa氦氣;
當(dāng)反應(yīng)腔體9內(nèi)氣壓為100Kpa時,在兩電極間施加60 70V電壓,引起電 弧放電,然后調(diào)節(jié)兩石墨電極間的電壓,使放電電流維持在150A,電弧放電過 程中,由于陽極石墨棒2不斷被消耗,因此通過石墨棒推進裝置ll及時推進陽 極石墨棒,使之與陰極石墨棒之間保持9mm的間距,推進速度在20 30mm/min;
隨著放電的進行,收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上開始生長碳納米管產(chǎn)物,此時,開 動驅(qū)動馬達7,調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達7的轉(zhuǎn)速,使得收集轉(zhuǎn)盤6 (收集轉(zhuǎn)盤的表面為平 面)的轉(zhuǎn)速在80 100rpm,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,確 保收集轉(zhuǎn)盤收集面的溫度在700 800°C;收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上生長的碳納米 管產(chǎn)物持續(xù)性地被刮板3刮下,落入收集盒10中。
電弧放電結(jié)束后,通過抽氣口 13抽去腔體9內(nèi)氣體,然后緩慢通入空氣至 腔體9內(nèi)氣壓達到1個大氣壓,即可打開腔體9,取出產(chǎn)物收集盒IO,即獲得純 度較高的碳納米管。實施例4
本實施例的制備裝置,包括陰極石墨棒1、陽極石墨棒2、反應(yīng)腔體9、陽極石墨棒推進裝置ll、進氣口 12、抽氣口 13、刮板3、熱電偶5、收集轉(zhuǎn)盤6、驅(qū)動馬達7、碳納米管收集盒IO。其中,陽極石墨棒2直徑為6mm,長80隱;陽極石墨棒2采用M、 YA、 FeS、石墨粉為原料(Ni、 Y203、 FeS的作用為催化劑),按Ni:Y:FeS: C的摩爾數(shù)比例為4. 2:1:0. 2: 94. 6配料,混合均勻后壓棒成型;陽極石墨棒2固定于陽極石墨棒推進裝置11上;陰極石墨棒1為高純石墨棒,其直徑為8mm,長度300隱;陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有3鵬的間距;收集轉(zhuǎn)盤6與驅(qū)動馬達7相連,刮板3與收集轉(zhuǎn)盤6的收集面相切,碳納米管收集盒10位于收集轉(zhuǎn)盤6的下方,熱電偶5和驅(qū)動馬達7固定于反應(yīng)腔體9上,收集轉(zhuǎn)盤6位于陽極石墨棒2上方60mm處,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,進氣口 12和抽氣口 13位于反應(yīng)腔體上。
使用本實施例的裝置制備碳納米管的過程如下
先用機械泵或者分子泵通過抽氣口 13將反應(yīng)腔體9中的空氣抽出,使得反應(yīng)腔體9內(nèi)的氣壓達到2.5X10—3Pa,此時,通過進氣口 12向反應(yīng)腔體9內(nèi)通入30KPa氦氣;
當(dāng)反應(yīng)腔體9內(nèi)氣壓為100Kpa時,在兩電極間施加60 70V電壓,引起電弧放電,然后調(diào)節(jié)兩石墨電極間的電壓,使放電電流維持在90A,電弧放電過程中,由于陽極石墨棒2不斷被消耗,因此通過石墨棒推進裝置ll及時推進陽極石墨棒,使之與陰極石墨棒之間保持3mm的間距,推進速度在15 25畫/min;
隨著放電的進行,收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上開始生長碳納米管產(chǎn)物,此時,開動驅(qū)動馬達7,調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達7的轉(zhuǎn)速,使得收集轉(zhuǎn)盤6 (收集面為凹面)的轉(zhuǎn)速在20 40rpm,通過熱電偶5監(jiān)測收集轉(zhuǎn)盤6的收集面的溫度,確保收集轉(zhuǎn)盤收集面的溫度在650 75(TC;收集轉(zhuǎn)盤6的收集面上生長的碳納米管產(chǎn)物持續(xù)性地被刮板3刮下,落入收集盒10中。
電弧放電結(jié)束后,通過抽氣口 13抽去腔體9內(nèi)氣體,然后緩慢通入空氣至腔體9內(nèi)氣壓達到1個大氣壓,即可打開腔體9,取出產(chǎn)物收集盒IO,即獲得純度較高的碳納米管。
權(quán)利要求
1、一種用于電弧法制備碳納米管的裝置,包括陰極石墨棒、陽極石墨棒、反應(yīng)腔體、陽極石墨棒推進裝置、進氣口、抽氣口,其特征在于,還包括刮板、熱電偶、收集轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動馬達、碳納米管收集盒,其中,陽極石墨棒固定于陽極石墨棒推進裝置上,陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有空隙,收集轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動馬達相連,刮板與收集轉(zhuǎn)盤的收集面相切,碳納米管收集盒位于收集轉(zhuǎn)盤的下方,熱電偶和驅(qū)動馬達固定于反應(yīng)腔體上,進氣口和抽氣口位于反應(yīng)腔體上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征是,所述陽極石墨棒與陰極石墨棒之間的空隙為2 9mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征 是,所述的陽極石墨棒和陰極石墨棒的下方設(shè)置固定石墨盤。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征 是,所述收集轉(zhuǎn)盤與陽極石墨棒之間的距離為20 80mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征 是,所述收集轉(zhuǎn)盤的表面為平面或者凹面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征是,所 述驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速為1 100rpm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電弧法制備碳納米管的裝置,其特征是,所 述陽極石墨棒含有以下組合中的一種或者幾種物質(zhì)的混合鐵、鈷、鎳、鐿、鈰、 鐵的化合物、鈷的化合物、鎳的化合物、鐿的化合物和鈰的化合物。
全文摘要
一種納米技術(shù)領(lǐng)域的用于電弧法制備碳納米管的裝置,該裝置包括陰極石墨棒,陽極石墨棒,反應(yīng)腔體,陽極石墨棒推進裝置,進氣口,抽氣口,刮板,熱電偶,收集轉(zhuǎn)盤,驅(qū)動馬達,碳納米管收集盒;其中,陽極石墨棒固定于陽極石墨棒推進裝置上,陽極石墨棒與陰極石墨棒相對設(shè)置,中間留有空隙;收集轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動馬達相連,刮板與收集轉(zhuǎn)盤的收集面相切,碳納米管收集盒位于收集轉(zhuǎn)盤的下方,熱電偶和驅(qū)動馬達固定于反應(yīng)腔體上;進氣口和抽氣口位于反應(yīng)腔體上。本發(fā)明的裝置使碳納米管在收集轉(zhuǎn)盤上生長能夠保持一相對穩(wěn)定的溫度;還可使生長的碳納米管不被后續(xù)產(chǎn)生的無定形碳等雜質(zhì)附著,進而能夠提高制備的碳納米管的純度。
文檔編號C01B31/02GK101654241SQ20091019543
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月10日
發(fā)明者張亞非, 蘇言杰, 浩 魏 申請人:上海交通大學(xué)