一種可控火焰燃燒器及其合成碳納米管的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種碳納米管合成技術，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】
[0002]碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是碳的同素異構體，是由層狀結構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、電學和熱學性能。1991年日本電鏡專家飯島澄男(Sum1 Iijima)利用電子顯微鏡首先發現了碳納米管的存在。目前，碳納米管的合成方法主要有四種:電弧放電法(arc discharge)、激光蒸發法(laser vaporizat1n)、化學氣相沉積法(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)是一個全新的技術和研宄領域。
[0003]前三種傳統合成方法(電弧放電法、激光蒸發法、化學氣相沉積法)設備復雜，成本較高，產量低，不能連續操作，而火焰合成法在大氣常壓下就可進行，且設備簡單，成本低廉，合成時間短，具有商業化批量合成的可能。
[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 “ 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，美國麻省理工學院的Howard 等人在文獻 “Howard JB, Das Chowdhury K, Vander Sande JB.Carbon shells inflames.Nature, 1994，370(6491):603"中發現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“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“Vander wal RL, Fe-Catalyzed.Single-walled Carbon NanotubesSynthesis within a Flame Environment.Combust1n and Flame.2002，130:37-47，，中米用可燃氣體為碳源，利用麥肯納燃燒器(McKenna burner)得到了少量單壁碳納米管。
[0007]2004年美國麻省理工學院He i ght和Howard等人在文獻“ 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 “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形帶區域生成了多壁碳納米管。
[0009]2008 年韓國的 Sang Kil Woo 等人在文獻“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]總結來看，現有技術中的火焰合成方法存在著優勢，但也存在不足。其一是熱源溫度可控性差，主要是依賴調整火焰的燃燒強度(燃氧比)來調控反應溫度，導致產物存在一定的雜質，不易獲得單壁碳納米管以及具有較長結構的碳納米管；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，使得碳納米管的產量仍有待于提高。
[0011]碳納米管的工業應用及科學研宄需要的是大量質量較好、生長可控、純度較高及成本較低的碳納米管，現有技術中合成碳納米管的火焰方法很難克服傳統火焰合成方法的弊端。
【發明內容】
[0012]本發明的目的是提供一種能夠實現可控、連續、大規模、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]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0014]本發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，內層直圓管包圍的區域為中心反應合成區，內層直圓管與外層直圓管之間包圍的區域分割為高溫熱源區和低溫冷卻區，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區，所述中心反應合成區的下口為反應物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫熱源區的下口為可燃預混氣體的入口，所述低溫冷卻區的下口為冷卻氣體的入口。
[0015]本發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]將可燃氣體與空氣或氧氣預混后，通入到所述高溫熱源區，經點火燃燒后，產生對稱的穩定火焰，向所述中心反應合成區提供碳納米管合成所必需的穩定高溫熱源，同時產生部分碳納米管；
[0017]同時，向所述低溫冷卻區通入冷卻氣體來控制所述中心反應合成區內的溫度；
[0018]同時，向所述中心反應合成區中通入預混后的反應混合氣體、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定碳源氣體和納米催化劑顆粒，在高溫下發生裂解反應，產生游離態的活性碳原子，在惰性氣體的保護下，與納米催化劑顆粒迅速結合，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]由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發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，內層直圓管包圍的區域為中心反應合成區，內層直圓管與外層直圓管之間包圍的區域分割為高溫熱源區和低溫冷卻區，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區，所述中心反應合成區的下口為反應物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫熱源區的下口為可燃預混氣體的入口，所述低溫冷卻區的下口為冷卻氣體的入口。能夠實現可控、連續、大規模、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，可減少燃燒產生的大量雜質，實現了碳納米管合成溫度的相對精確的、可控制調節，而不需要完全依賴調整火焰的燃燒強度(燃氧比)來調控反應溫度，保證碳納米管在最優溫度條件下合成，更有利于單壁碳納米管以及具有較長結構的碳納米管的生成。另外，本發明中碳納米管主要是在中心管出口獲得，同時在兩個高溫熱源區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，這些都將進一步增大碳納米管的產量。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明實施例提供的可控火焰燃燒器的立體結構示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例提供的可控火焰燃燒器的橫截面結構示意圖。
[0022]圖中:
[0023]I表示中心反應合成區，在其底部通入反應物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒；2和4表示高溫熱源區，在其底部通入可燃預混氣體，通過燃燒為中心反應合成區提供高溫熱源；3和5表示低溫冷卻區，在其底部通入惰性氣體或氮氣或空氣來控制中心反應合成區I內的合成反應溫度；6表示碳納米管取樣區。
【具體實施方式】
[0024]下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。
[0025]本發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，內層直圓管包圍的區域為中心反應合成區，內層直圓管與外層直圓管之間包圍的區域分割為高溫熱源區和低溫冷卻區，所述雙層直圓管的上部出口為碳納米管取樣區，所述中心反應合成區的下口為反應物混合氣、惰性氣體和納米催化劑顆粒的入口，所述高溫熱源區的下口為可燃預混氣體的入口，所述低溫冷卻區的下口為冷卻氣體的入口。
[0027]所述高溫熱源區和低溫冷卻區分別有2個，2個高溫熱源區對稱布置，2個低溫冷卻區對稱布置。
[0028]所述內層直圓管的出口與所述外層直圓管的出口平齊；