一种合成碳纳米管的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳纳米管合成技术领域，具体涉及一种合成碳纳米管的系统及方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管在本质上是碳的一种同素异形体，可看作是由单层或多层石墨片卷曲而成的纳米尺寸的无缝空心管状结构。由单层卷成的，称为单壁碳纳米管；由多层卷成的同轴管，称为多壁碳纳米管，层间距约为0.34nm。作为一种典型的一维碳纳米材料，碳纳米管具有独特的电子结构和物理化学特性。例如:极大的长径比与比表面积、极高的弹性模量和抗弯强度、能够耐强酸和强碱、传热和导电性能极佳，以及自润滑性、生体相容性等一系列综合性能。因此，碳纳米管在各个领域中的应用引起了科学界的普遍关注，前景非常可观。最重要的应用领域包括:超级电容、储氢材料、场发射器、原子力显微镜探针、锂离子电池、化学传感器、催化剂载体、增强复合材料等。鉴于碳纳米管表现出的多种优良特性以及由此衍生出的巨大应用价值，如何能高效率、低成本、可控制、大规模地合成碳纳米管便成为国内外众多学者追寻的目标。本着这一宗旨，碳纳米管的合成方法也在不断地推陈出新。合成碳纳米管的方法非常多，主要有:电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法(CVD法)以及目前较为新颖的火焰法。前三种方法的研究已比较成熟，但它们在规模、成本、设备、操作及连续性等方面均受到很大的制约。现在已知的各种火焰法基本上都实现了设备简单、成本低廉、操作方便的目标，但绝大多数的产量都偏低，碳源的利用率也不高，且难以满足可控、批量、连续生产的要求。
[0003]综上所述，研发出一种能够高效、廉价、可控、批量、连续地合成碳纳米管的方法，依然是本技术领域亟待攻克的首要疑难课题。本发明正是针对这个棘手问题提出的一种全新解决方案。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述问题提供一种全新的方案，即一种高效可控合成碳纳米管的系统。
[0005]—种合成碳纳米管的系统，包括环流火焰燃烧域、碳源热解域、碳纳米管合成域、成品采集单元和化学反应原料供应单元；以及核心反应腔、环流火焰燃烧室、火焰喷射器、顶部伞；所述环流火焰燃烧域位于环流火焰燃烧室内，所述核心反应腔位于环流火焰燃烧室的中心，所述碳源热解域位于核心反应腔内下部，所述碳纳米管合成域位于核心反应腔内上部，所述火焰喷射器的喷射口位于环流火焰燃烧室的侧壁，所述顶部伞位于核心反应腔的顶部，所述成品采集单元位于顶部伞上方，所述化学反应原料供应单元向环流火焰燃烧室与核心反应腔内供料。
[0006]进一步，所述成品采集单元包括弹跳式成品采集探头和传送带。
[0007]进一步，所述化学反应原料供应单元包括碳源供应设备，辅助气体供应设备，催化剂供应设备，燃料供应设备，氧化剂供应设备。
[0008]进一步，所述核心反应腔为圆管形，环流火焰燃烧室的外形为棱柱形，其外壁横截面为多边形，火焰喷射器的喷射口布置在多边形的各个端点上或各条边上。
[0009]进一步地，所述火焰喷射器在环流火焰燃烧室侧壁的同一高度处安装一组或在不同高度处安装多组，同一组火焰喷射器中的每一个均安装在环流火焰燃烧室侧壁上的同一高度处。
[0010]进一步地，所述燃料和氧化剂先在火焰喷射器内部预混后喷出，或在火焰喷射器内从各自的通道分别喷出，随后在环流火焰燃烧室内相遇。
[0011]进一步地，所述火焰喷射器的出口气流是直流射流，或是旋转射流，且气流的几何轴线均与圆管形核心反应腔的外壁相切；每个火焰喷射器喷出的气流汇合后，将在环流火焰燃烧室的中心区域形成剧烈燃烧且环绕核心反应腔外壁迅速旋转流动的火焰。
[0012]进一步，所述弹跳式成品采集探头到达碳纳米管合成域的正上方时自动弹出，伸入到碳纳米管合成域中的预定位置，与此同时，传送带立即停止运行，以便采集制得的成品碳纳米管；当探头的停留时间达到预设的成品采集时间后，探头便会自动弹回复位，传送带也会立即继续运行。
[0013]进一步，所述碳源供应设备供应的碳源是气体、液体、固体或等离子体的含碳原料。
[0014]所述辅助气体供应设备供应的辅助气体是指氢气以及惰性气体或低活性气体。
[0015]所述催化剂供应设备供应的催化剂是过渡金属元素单质或合金或过渡金属元素的化合物或上述单质、合金或化合物所构成的混合物。
[0016]所述燃料供应设备供应的燃料是气体、液体或固体的高发热值易燃物。
[0017]所述氧化剂供应设备供应的氧化剂是空气、纯氧或氧气-氮气混合气。
[0018]进一步，所述系统还包括:
[0019](I)旁路系统，所述旁路系统在需要改变运行工况或系统出现问题需要停机时，能将具有冷却功能的气体直接投入系统，所述气体是惰性气体或低活性气体；
[0020](2)温度传感器及与其相连接的数字仪表:用以监测碳源热解域及碳纳米管合成域的温度；
[0021](3)数字计时器:与温度传感器配合使用，可实现成品采集探头的自动弹出与复位动作，以及传送带的停止运行与继续运行动作；
[0022](4)点火器:当系统开始运行时，由它来点燃从火焰喷射器喷出的燃料；
[0023](5)能够提供旋流条件的叶轮和导流器，使火焰喷射器的出口气流形成旋转射流，以便配合控制火焰的燃烧特性；
[0024](6)冷灰斗:在以煤为燃料的系统中，在环流火焰燃烧室的底部安装，用以收集灰烬。
[0025]本发明还提供利用上述系统合成碳纳米管的方法，包括以下步骤:
[0026](I)启动燃料供应设备与氧化剂供应设备，向火焰喷射器内输送燃料与氧化剂，为点火做准备；
[0027](2)启动辅助气体供应设备，向核心反应腔内输送冷却气体(比如氦气、氮气等，为了节约成本，也可直接使用空气)，以免着火后，高温的火焰将核心反应腔烧坏；
[0028](3)启动点火器，点燃从火焰喷射器喷出的燃料与氧化剂的混合物；
[0029](4)待燃烧室内的环流火焰形成后，调节燃料与氧化剂的用量至所需值；；
[0030](5)待环流火焰稳定地燃烧，并且环流火焰燃烧室内不同高度处的环流火焰温度均达到设计值后，启动碳源供应设备与催化剂供应设备，向核心反应腔内输送碳源与催化剂；
[0031](6)将碳源与催化剂的用量调大至设计参数，使碳源开始发生热解；
[0032](7)待碳源热解域及碳纳米管合成域的温度均达到设计值后，启动成品采集单元;
[0033](8)当第一只弹跳式成品采集探头随传送带到达碳纳米管合成域的正上方时，它便会自动弹出，伸入到碳纳米管合成域中的预定位置，开始采集合成的碳纳米管；与此同时，传送带会立即停止运行；
[0034](9)待第一只探头在碳纳米管合成域中的停留时间达到预设的成品采集时间后，探头便会自动弹回复位，传送带也会立即继续运行；
[0035](10)接续的弹跳式成品采集探头依次重复第(8)、(9)两步的步骤，直至系统停止运行；
[0036]当需要改变运行工况或系统出现问题需要停机时，则按照以下步骤进行:
[0037](11)关闭燃料供应设备与氧化剂供应设备，停止向火焰喷射器内输送燃料与氧化剂，使燃烧室内熄火；
[0038](12)关闭碳源供应设备与催化剂供应设备，停止向核心反应腔内输送碳源与催化剂，避免浪费原料；
[0039](13)关闭成品采集单元，使其停止运行；
[0040](14)打开旁路系统，向火焰喷射器与核心反应腔内输送冷却气体(比如氦气、氮气等，为了节约成本，也可直接使用空气)，并将冷却气体向燃烧室内喷射，以便冷却火焰喷射器、燃烧室以及核心反应腔，避免燃烧室内熄火后的残余高温将它们损坏；
[0041](15)待燃烧室内各处的温度均降至200°C以下后，关闭辅助气体供应设备。