一種可控火焰燃燒器及其合成碳納米管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳納米管合成技術(shù)，尤其涉及一種可控火焰燃燒器及其合成碳納米管的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是碳的同素異構(gòu)體，是由層狀結(jié)構(gòu)石墨稀片卷成的納米尺寸的空心管，具有很高的長徑比，同時具有極好的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能。1991年日本電鏡專家飯島澄男(Sum1 Iijima)利用電子顯微鏡首先發(fā)現(xiàn)了碳納米管的存在。目前，碳納米管的合成方法主要有四種:電弧放電法(arc discharge)、激光蒸發(fā)法(laser vaporizat1n)、化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposit1n, CVD)和火焰合成法(flame synthesis)。其中，火焰合成法(利用燃燒火焰合成碳納米管)是一個全新的技術(shù)和研宄領(lǐng)域。
[0003]前三種傳統(tǒng)合成方法(電弧放電法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法)設(shè)備復(fù)雜，成本較高，產(chǎn)量低，不能連續(xù)操作，而火焰合成法在大氣常壓下就可進(jìn)行，且設(shè)備簡單，成本低廉，合成時間短，具有商業(yè)化批量合成的可能。
[0004]2000年以前，火焰法合成碳納米管的研宄較少，具有代表性的是1994年比利時的 Ivanov 等人在文獻(xiàn) “ Ivanov V, Nagy J B et, al.The Study of Carbon nanotubesProduced by Catalytic Method.Chem Phys Lett.1994，223:329-335” 中用乙塊通過熱解在鈷和鐵等催化劑粒子上長出直徑幾十納米的碳納米管。同年，美國麻省理工學(xué)院的Howard 等人在文獻(xiàn) “Howard JB, Das Chowdhury K, Vander Sande JB.Carbon shells inflames.Nature, 1994，370(6491):603"中發(fā)現(xiàn)在充氧及稀釋劑的低壓容器中燃燒乙炔、苯或乙烯等可以得到碳納米管。
[0005]2000年以后，國內(nèi)外才逐漸開展火焰法合成碳納米管的研宄工作。
[0006]2000 年美國宇航局 Vander wal 等人在文獻(xiàn)“Vander wal RL, Ticich TM, CurtisVE.Diffus1n Flame Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Chem PhysLett.2000，354(1-2):20-4"中采用“裂解火焰”得到了碳納米管。2002年美國宇航局的Vander wal 等人在文獻(xiàn)“Vander wal RL, Fe-Catalyzed.Single-walled Carbon NanotubesSynthesis within a Flame Environment.Combust1n and Flame.2002，130:37-47，，中米用可燃?xì)怏w為碳源，利用麥肯納燃燒器(McKenna burner)得到了少量單壁碳納米管。
[0007]2004年美國麻省理工學(xué)院He i ght和Howard等人在文獻(xiàn)“ He i ght MT, HowardJB, Tester Jff et al.Flame Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Carbon.2004, 42:2295-2307”中用充氧和稀釋劑的燃燒乙炔預(yù)混氣體，在燃燒器出口的層流平面火焰后面不同高度處收集到了單壁碳納米管。
[0008]2005 年日本 NaKazawa 等人在文獻(xiàn) “NaKazawa S, YoKomori T, Mizomoto M.FlameSynthesis of Carbon Nanotubes in a Wall Stagnat1n Flow.Chemical PhysicsLetter.2005, 403:158-162”中采用富燃料的乙炔/空氣的預(yù)混氣射流沖擊涂有鎳催化劑層的陶瓷駐定平板，形成喇叭狀火焰，并在駐定平板上窄環(huán)形帶區(qū)域生成了多壁碳納米管。
[0009]2008 年韓國的 Sang Kil Woo 等人在文獻(xiàn)“Sang Kil Woo, Young Taek Hong, OhChae Kwon.Flame synthesis of carbon-nanotubes using a double-faced wallstagnat1n flow burner.Carbon, 2009, 47 (3):912_916” 中米用雙面壁駐流燃燒器得到了碳納米管。
[0010]總結(jié)來看，現(xiàn)有技術(shù)中的火焰合成方法存在著優(yōu)勢，但也存在不足。其一是熱源溫度可控性差，主要是依賴調(diào)整火焰的燃燒強度(燃氧比)來調(diào)控反應(yīng)溫度，導(dǎo)致產(chǎn)物存在一定的雜質(zhì)，不易獲得單壁碳納米管以及具有較長結(jié)構(gòu)的碳納米管；二是由于碳納米管的合成條件(主要是溫度和催化劑)可控性不好，使得碳納米管的產(chǎn)量仍有待于提高。
[0011]碳納米管的工業(yè)應(yīng)用及科學(xué)研宄需要的是大量質(zhì)量較好、生長可控、純度較高及成本較低的碳納米管，現(xiàn)有技術(shù)中合成碳納米管的火焰方法很難克服傳統(tǒng)火焰合成方法的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)可控、連續(xù)、大規(guī)模、低成本合成碳納米管的可控火焰燃燒器及其合成碳納米管的方法。
[0013]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0014]本發(fā)明的合成碳納米管的可控火焰燃燒器，包括相互嵌套的上下貫通的雙層直圓管，內(nèi)層直圓管包圍的區(qū)域為中心反應(yīng)合成區(qū)，內(nèi)層直圓管與外層直圓管之間包圍的區(qū)域分割為高溫?zé)嵩磪^(qū)和低溫冷卻區(qū)，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區(qū)，所述中心反應(yīng)合成區(qū)的下口為反應(yīng)物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫?zé)嵩磪^(qū)的下口為可燃預(yù)混氣體的入口，所述低溫冷卻區(qū)的下口為冷卻氣體的入口。
[0015]本發(fā)明的利用上述的可控火焰燃燒器合成碳納米管的方法，包括步驟:
[0016]將可燃?xì)怏w與空氣或氧氣預(yù)混后，通入到所述高溫?zé)嵩磪^(qū)，經(jīng)點火燃燒后，產(chǎn)生對稱的穩(wěn)定火焰，向所述中心反應(yīng)合成區(qū)提供碳納米管合成所必需的穩(wěn)定高溫?zé)嵩?，同時產(chǎn)生部分碳納米管；
[0017]同時，向所述低溫冷卻區(qū)通入冷卻氣體來控制所述中心反應(yīng)合成區(qū)內(nèi)的溫度；
[0018]同時，向所述中心反應(yīng)合成區(qū)中通入預(yù)混后的反應(yīng)混合氣體、惰性氣體和納米催化劑顆粒，提供碳納米管合成所必需的穩(wěn)定碳源氣體和納米催化劑顆粒，在高溫下發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生游離態(tài)的活性碳原子，在惰性氣體的保護(hù)下，與納米催化劑顆粒迅速結(jié)合，成為碳納米管的生長核心并且不斷生長，最終形成碳納米管。
[0019]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的可控火焰燃燒器及其合成碳納米管的方法，由于包括相互嵌套的上下貫通的雙層直圓管，內(nèi)層直圓管包圍的區(qū)域為中心反應(yīng)合成區(qū)，內(nèi)層直圓管與外層直圓管之間包圍的區(qū)域分割為高溫?zé)嵩磪^(qū)和低溫冷卻區(qū)，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區(qū)，所述中心反應(yīng)合成區(qū)的下口為反應(yīng)物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫?zé)嵩磪^(qū)的下口為可燃預(yù)混氣體的入口，所述低溫冷卻區(qū)的下口為冷卻氣體的入口。能夠?qū)崿F(xiàn)可控、連續(xù)、大規(guī)模、低成本合成碳納米管，將合成碳納米管過程和燃燒過程完全隔離，同時增加了碳納米管合成過程的低溫冷卻階段，可減少燃燒產(chǎn)生的大量雜質(zhì)，實現(xiàn)了碳納米管合成溫度的相對精確的、可控制調(diào)節(jié)，而不需要完全依賴調(diào)整火焰的燃燒強度(燃氧比)來調(diào)控反應(yīng)溫度，保證碳納米管在最優(yōu)溫度條件下合成，更有利于單壁碳納米管以及具有較長結(jié)構(gòu)的碳納米管的生成。另外，本發(fā)明中碳納米管主要是在中心管出口獲得，同時在兩個高溫?zé)嵩磪^(qū)的上部出口也會得到部分碳納米管，若采用球面基板取樣，可以擴大碳納米管的有效收集面積，這些都將進(jìn)一步增大碳納米管的產(chǎn)量。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實施例提供的可控火焰燃燒器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明實施例提供的可控火焰燃燒器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:
[0023]I表示中心反應(yīng)合成區(qū)，在其底部通入反應(yīng)物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒；2和4表示高溫?zé)嵩磪^(qū)，在其底部通入可燃預(yù)混氣體，通過燃燒為中心反應(yīng)合成區(qū)提供高溫?zé)嵩矗?和5表示低溫冷卻區(qū)，在其底部通入惰性氣體或氮氣或空氣來控制中心反應(yīng)合成區(qū)I內(nèi)的合成反應(yīng)溫度；6表示碳納米管取樣區(qū)。
【具體實施方式】
[0024]下面將對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]本發(fā)明的合成碳納米管的可控火焰燃燒器，其較佳的【具體實施方式】是:
[0026]包括相互嵌套的上下貫通的雙層直圓管，內(nèi)層直圓管包圍的區(qū)域為中心反應(yīng)合成區(qū)，內(nèi)層直圓管與外層直圓管之間包圍的區(qū)域分割為高溫?zé)嵩磪^(qū)和低溫冷卻區(qū)，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區(qū)，所述中心反應(yīng)合成區(qū)的下口為反應(yīng)物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫?zé)嵩磪^(qū)的下口為可燃預(yù)混氣體的入口，所述低溫冷卻區(qū)的下口為冷卻氣體的入口。
[0027]所述高溫?zé)嵩磪^(qū)和低溫冷卻區(qū)分別有2個，2個高溫?zé)嵩磪^(qū)對稱布置，2個低溫冷卻區(qū)對稱布置。
[0028]所述內(nèi)層直圓管的出口與所述外層直圓管的出口平齊；