一種合成碳納米管的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于碳納米管合成技術領域，具體涉及一種合成碳納米管的系統及方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管在本質上是碳的一種同素異形體，可看作是由單層或多層石墨片卷曲而成的納米尺寸的無縫空心管狀結構。由單層卷成的，稱為單壁碳納米管；由多層卷成的同軸管，稱為多壁碳納米管，層間距約為0.34nm。作為一種典型的一維碳納米材料，碳納米管具有獨特的電子結構和物理化學特性。例如:極大的長徑比與比表面積、極高的彈性模量和抗彎強度、能夠耐強酸和強堿、傳熱和導電性能極佳，以及自潤滑性、生體相容性等一系列綜合性能。因此，碳納米管在各個領域中的應用引起了科學界的普遍關注，前景非常可觀。最重要的應用領域包括:超級電容、儲氫材料、場發射器、原子力顯微鏡探針、鋰離子電池、化學傳感器、催化劑載體、增強復合材料等。鑒于碳納米管表現出的多種優良特性以及由此衍生出的巨大應用價值，如何能高效率、低成本、可控制、大規模地合成碳納米管便成為國內外眾多學者追尋的目標。本著這一宗旨，碳納米管的合成方法也在不斷地推陳出新。合成碳納米管的方法非常多，主要有:電弧放電法、激光蒸發法、化學氣相沉積法(CVD法)以及目前較為新穎的火焰法。前三種方法的研究已比較成熟，但它們在規模、成本、設備、操作及連續性等方面均受到很大的制約。現在已知的各種火焰法基本上都實現了設備簡單、成本低廉、操作方便的目標，但絕大多數的產量都偏低，碳源的利用率也不高，且難以滿足可控、批量、連續生產的要求。
[0003]綜上所述，研發出一種能夠高效、廉價、可控、批量、連續地合成碳納米管的方法，依然是本技術領域亟待攻克的首要疑難課題。本發明正是針對這個棘手問題提出的一種全新解決方案。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決上述問題提供一種全新的方案，即一種高效可控合成碳納米管的系統。
[0005]—種合成碳納米管的系統，包括環流火焰燃燒域、碳源熱解域、碳納米管合成域、成品采集單元和化學反應原料供應單元；以及核心反應腔、環流火焰燃燒室、火焰噴射器、頂部傘；所述環流火焰燃燒域位于環流火焰燃燒室內，所述核心反應腔位于環流火焰燃燒室的中心，所述碳源熱解域位于核心反應腔內下部，所述碳納米管合成域位于核心反應腔內上部，所述火焰噴射器的噴射口位于環流火焰燃燒室的側壁，所述頂部傘位于核心反應腔的頂部，所述成品采集單元位于頂部傘上方，所述化學反應原料供應單元向環流火焰燃燒室與核心反應腔內供料。
[0006]進一步，所述成品采集單元包括彈跳式成品采集探頭和傳送帶。
[0007]進一步，所述化學反應原料供應單元包括碳源供應設備，輔助氣體供應設備，催化劑供應設備，燃料供應設備，氧化劑供應設備。
[0008]進一步，所述核心反應腔為圓管形，環流火焰燃燒室的外形為棱柱形，其外壁橫截面為多邊形，火焰噴射器的噴射口布置在多邊形的各個端點上或各條邊上。
[0009]進一步地，所述火焰噴射器在環流火焰燃燒室側壁的同一高度處安裝一組或在不同高度處安裝多組，同一組火焰噴射器中的每一個均安裝在環流火焰燃燒室側壁上的同一高度處。
[0010]進一步地，所述燃料和氧化劑先在火焰噴射器內部預混后噴出，或在火焰噴射器內從各自的通道分別噴出，隨后在環流火焰燃燒室內相遇。
[0011]進一步地，所述火焰噴射器的出口氣流是直流射流，或是旋轉射流，且氣流的幾何軸線均與圓管形核心反應腔的外壁相切；每個火焰噴射器噴出的氣流匯合后，將在環流火焰燃燒室的中心區域形成劇烈燃燒且環繞核心反應腔外壁迅速旋轉流動的火焰。
[0012]進一步，所述彈跳式成品采集探頭到達碳納米管合成域的正上方時自動彈出，伸入到碳納米管合成域中的預定位置，與此同時，傳送帶立即停止運行，以便采集制得的成品碳納米管；當探頭的停留時間達到預設的成品采集時間后，探頭便會自動彈回復位，傳送帶也會立即繼續運行。
[0013]進一步，所述碳源供應設備供應的碳源是氣體、液體、固體或等離子體的含碳原料。
[0014]所述輔助氣體供應設備供應的輔助氣體是指氫氣以及惰性氣體或低活性氣體。
[0015]所述催化劑供應設備供應的催化劑是過渡金屬元素單質或合金或過渡金屬元素的化合物或上述單質、合金或化合物所構成的混合物。
[0016]所述燃料供應設備供應的燃料是氣體、液體或固體的高發熱值易燃物。
[0017]所述氧化劑供應設備供應的氧化劑是空氣、純氧或氧氣-氮氣混合氣。
[0018]進一步，所述系統還包括:
[0019](I)旁路系統，所述旁路系統在需要改變運行工況或系統出現問題需要停機時，能將具有冷卻功能的氣體直接投入系統，所述氣體是惰性氣體或低活性氣體；
[0020](2)溫度傳感器及與其相連接的數字儀表:用以監測碳源熱解域及碳納米管合成域的溫度；
[0021](3)數字計時器:與溫度傳感器配合使用，可實現成品采集探頭的自動彈出與復位動作，以及傳送帶的停止運行與繼續運行動作；
[0022](4)點火器:當系統開始運行時，由它來點燃從火焰噴射器噴出的燃料；
[0023](5)能夠提供旋流條件的葉輪和導流器，使火焰噴射器的出口氣流形成旋轉射流，以便配合控制火焰的燃燒特性；
[0024](6)冷灰斗:在以煤為燃料的系統中，在環流火焰燃燒室的底部安裝，用以收集灰燼。
[0025]本發明還提供利用上述系統合成碳納米管的方法，包括以下步驟:
[0026](I)啟動燃料供應設備與氧化劑供應設備，向火焰噴射器內輸送燃料與氧化劑，為點火做準備；
[0027](2)啟動輔助氣體供應設備，向核心反應腔內輸送冷卻氣體(比如氦氣、氮氣等，為了節約成本，也可直接使用空氣)，以免著火后，高溫的火焰將核心反應腔燒壞；
[0028](3)啟動點火器，點燃從火焰噴射器噴出的燃料與氧化劑的混合物；
[0029](4)待燃燒室內的環流火焰形成后，調節燃料與氧化劑的用量至所需值；；
[0030](5)待環流火焰穩定地燃燒，并且環流火焰燃燒室內不同高度處的環流火焰溫度均達到設計值后，啟動碳源供應設備與催化劑供應設備，向核心反應腔內輸送碳源與催化劑；
[0031](6)將碳源與催化劑的用量調大至設計參數，使碳源開始發生熱解；
[0032](7)待碳源熱解域及碳納米管合成域的溫度均達到設計值后，啟動成品采集單元;
[0033](8)當第一只彈跳式成品采集探頭隨傳送帶到達碳納米管合成域的正上方時，它便會自動彈出，伸入到碳納米管合成域中的預定位置，開始采集合成的碳納米管；與此同時，傳送帶會立即停止運行；
[0034](9)待第一只探頭在碳納米管合成域中的停留時間達到預設的成品采集時間后，探頭便會自動彈回復位，傳送帶也會立即繼續運行；
[0035](10)接續的彈跳式成品采集探頭依次重復第(8)、(9)兩步的步驟，直至系統停止運行；
[0036]當需要改變運行工況或系統出現問題需要停機時，則按照以下步驟進行:
[0037](11)關閉燃料供應設備與氧化劑供應設備，停止向火焰噴射器內輸送燃料與氧化劑，使燃燒室內熄火；
[0038](12)關閉碳源供應設備與催化劑供應設備，停止向核心反應腔內輸送碳源與催化劑，避免浪費原料；
[0039](13)關閉成品采集單元，使其停止運行；
[0040](14)打開旁路系統，向火焰噴射器與核心反應腔內輸送冷卻氣體(比如氦氣、氮氣等，為了節約成本，也可直接使用空氣)，并將冷卻氣體向燃燒室內噴射，以便冷卻火焰噴射器、燃燒室以及核心反應腔，避免燃燒室內熄火后的殘余高溫將它們損壞；
[0041](15)待燃燒室內各處的溫度均降至200°C以下后，關閉輔助氣體供應設備。