專利名稱：一種無定形納米碳管的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于煤化工、化學反應工程及炭素材料科學相互交叉的技術領域，具體涉及一種無定形納米碳管的制備方法及裝置。
背景技術：
焦化廠廢棄物-焦粉大部分應用于生產合成氣、制備活性炭和作為燃料等，也有將焦粉回配進行煉焦，但這些方法制得的產品其附加值較低。近年來，人們試圖以焦粉為原料制備低電阻炭材料，實現焦粉的高附加值利用。如中國專利CN1304870，“一種低電阻率炭材料的制備方法”，是將焦粉和金屬鈦粉等混勻，在2000-2600℃，30MPa壓力下熱壓成型得到低電阻率炭材料。該方法制備工藝復雜，對裝置材質和密封性要求高，所得炭材料成本較高。而傳統的電弧放電制備納米碳管材料通常都是在負壓的條件下進行的，如美國專利United StatesPatent 6517800，“Production of single-walled carbon nanotubes by a hydrogen arc dischargemethod”是在0.013-0.053MPa的負壓下制備納米碳管。負壓條件不僅對裝置的密封性要求較高，而且，不易進一步實現納米碳管的連續制備。
發明內容
本發明針對現有技術中原料成本較高和對裝置密封性要求高且不易實現常壓下納米碳管材料連續生產的缺點，提供一種無定形納米碳管的制備方法及裝置。
本發明所提供的一種無定形納米碳管的制備裝置，其特征在于該裝置是一種在常壓下利用電弧放電法制備無定形納米碳管的裝置。該裝置包括設置在電弧反應室1內的陽極支架2、陰極支架及陰極3，陽極支架2通過陽極移動臂與陽極4相連接、在陽極支架2的上端有陽極移動手柄5。該裝置的陰極支架及陰極3的下端、電弧反應室1的壁及蓋子分別設置有冷卻水管，其中，6是冷卻水進口，熱電偶7的測溫點置于離電弧反應室1內陽極4和陰極3軸線的中點1.5cm處，氣體進口8位于電弧反應室1的中上部，真空泵9管線的入口位于電弧反應室1的中上部并與真空泵9相連。該裝置的一條管線通過電弧反應室1的蓋子與維持發生器內氣體壓力為常壓的單元相連接。
維持發生器內氣體壓力為常壓的單元組成包括為了測量反應器內的壓力，同時，使電弧反應裝置內的壓力在放電過程中維持常壓，該裝置留有兩個氣體出口，氣體出口10和“U”型壓力計11相連，以檢測反應器內的壓力，在氣體出口10前面留有一個備用氣體出口，需要時可以取出反應器中的氣體進行氣體成分和含量的分析，氣體出口12通過透明的管線插入封閉的水桶13中，依靠水桶13中的水對氣體出口12實現水封。維持反應器內壓力為常壓的過程是當反應器內的壓力大于(0.1+0.0005)MPa時，反應器中的氣體能夠從氣體出口12經過水桶13而排出，達到防止反應器內氣體壓力變大的目的；當反應器內的壓力小于(0.1-0.0005)MPa時，水桶13中的水在大氣壓的作用下能夠通過氣體出口12進入透明的管中并可以往上移動，水桶13置于水池14中，水池14中的水可以進入水桶13中以防止水桶13中的水量不夠，達到防止反應器內氣體壓力降低的目的。
利用上述裝置制備無定形納米碳管的方法，該方法以制備的炭棒為陽極，高純石墨棒為陰極，在緩沖氣體和其它氣體的體積比為4∶1的混合氣氛中，通過常壓下電弧放電制備無定形納米碳管材料，所得納米碳管材料主要在陰極上形成，制備方法的具體步驟如下(1)陽極炭棒是通過將焦化廠廢棄焦粉與煤焦油及金屬鎳粉催化劑按照質量比為68.2∶24.5∶7.3的比例混合，接著，混合物在螺旋給料機上擠壓成直徑為1.00cm的焦棒，最后，將焦棒在管式爐中通過程序升溫達900℃，并在此溫度下炭化4小時，從而獲得具有一定電導率的炭棒，所得炭棒的外徑為0.95cm，長度為15cm。
(2)接通真空泵電源，將電弧反應室1內抽為0.065MPa的負壓，接通氮氣氣源，通過氣體進口8往電弧反應室1內充入氮氣，使得反應器內的壓力為0.010MPa。
(3)重復步驟(2)兩次。
(4)接通真空泵電源，將電弧反應室1內抽為0.065MPa的負壓，接通其它氣體氣源，向電弧反應室1內充入其它氣體，使得電弧反應室1內的壓力達到0.052MPa，接著，接通緩沖氣體氣源，向電弧反應室內充入緩沖氣體，使得反應器內的壓力達到0.100MPa，使得緩沖氣體和其它氣體的體積比為4∶1。
(5)接通冷卻水電源，開啟電弧電源并引發電弧放電，電弧反應室1內電弧外圍的溫度通過熱電偶7進行測量；電弧放電15分鐘后停止，含無定形納米碳管的固相產物主要在陰極形成。
本發明的優點通過水封可以將反應器內的壓力維持在(0.1±0.0005)MPa，實現常壓下無定形納米碳管材料的制備。其它氣體中的乙炔可以部分充當碳源，增加了無定形納米碳管的產量。以焦化廠廢棄物焦粉為原料，降低了原料的成本。總之，本發明所述的裝置結構合理，操作簡便、可控。
圖1常壓下電弧放電制備納米碳管材料裝置示意2常壓下所得納米碳管的宏觀照片圖3常壓下所得納米碳管的微觀掃描電鏡照片圖4常壓下所得納米碳管的透射電鏡照片圖5常壓下所得納米碳管的高分辨透射電鏡照片圖6常壓下電弧放電所得納米碳管的拉曼光譜分析結果圖中1電弧反應室；2陽極支架；3陰極支架及陰極；4陽極；5陽極移動手柄；6冷卻水管進口；7熱電偶；8氣體進口；9真空泵；10氣體出口；11“U”型壓力計；12氣體出口；13水桶；14水池。
具體實施例方式
實施例1(1)將廢棄焦粉、焦油和鎳粉按照68.2∶24.5∶7.3的質量比混勻，混合物在螺旋給料機上擠壓成外徑為1.00cm的焦棒后，將焦棒在管式爐中在氮氣保護下程序升溫至900℃，并在此溫度下炭化4小時，獲得具有一定電導率的炭棒，炭棒的外徑為0.95cm，長度為15cm，備用。
(2)以步驟(1)制得的炭棒為陽極，高純石墨棒為陰極，在氦氣(純度為99.5％)和乙炔(純度為98.5％)的體積比為4∶1的混合氣氛中，通過常壓下((0.1±0.0005)MPa)電弧放電制備納米碳管材料，電弧放電15分鐘后停止，含無定形納米碳管的固相產物主要在陰極形成，這種氣氛中陰極產物可達4.0g。
(3)納米碳管材料主要在陰極上形成，其宏觀照片見圖2，其微觀掃描電鏡照片見圖3，可見納米碳管的長度達到幾微米。
納米碳管材料的透射電鏡照片見圖4，從圖4可見納米碳管的外徑約為60nm；圖4中選定區域的高分辨透射電鏡照片見圖5，從圖5可見所得納米碳管材料具有一定的石墨晶格結構，同時，也有一定的無定形炭結構。
納米碳管材料的拉曼光譜分析結果見圖6，從圖6可以看出石墨晶格的峰強度(G-band)明顯高于無定形炭的峰強度(D-band)，但石墨化程度不太高，這與圖5的觀察結果相一致。
實施例2(1)同實施例1的步驟(1)。
(2)以步驟(1)制得的炭棒為陽極，高純石墨棒為陰極，在氮氣(純度為99.5％)和乙炔(純度為98.5％)的體積比為4∶1的混合氣氛中，通過常壓下((0.1±0.0005)MPa)電弧放電制備納米碳管材料，電弧放電15分鐘后停止，含無定形納米碳管的固相產物主要在陰極形成，這種氣氛中陰極產物可達6.5g。產物的掃描電鏡照片與實施例1類似。
實施例3(1)同實施例1的步驟(1)。
(2)以步驟(1)制得的炭棒為陽極，高純石墨棒為陰極，在氮氣(純度為99.5％)和乙炔(純度為98.5％)及二氧化碳(純度為98.5％)的體積比為80∶15∶5的混合氣氛中，通過常壓下((0.1±0.0005)MPa)電弧放電制備納米碳管材料，電弧放電15分鐘后停止，含無定形納米碳管的固相產物主要在陰極形成，這種氣氛中陰極產物可達4.5g。產物的掃描電鏡照片與實施例1類似。
權利要求
1.一種無定形納米碳管的制備裝置，其特征在于該裝置包括設置在電弧反應室(1)內的陽極支架(2)、陰極支架及陰極(3)，陽極支架(2)通過陽極移動臂與陽極(4)相連接、在陽極支架(2)的上端有陽極移動手柄(5)，陰極支架及陰極(3)的下端、電弧反應室(1)的壁及蓋子分別設置有冷卻水進口(6)及出口，熱電偶(7)的測溫點置于離電弧反應室(1)內陽極(4)和陰極(3)軸線中點1.5cm處，氣體進口(8)位于電弧反應室(1)的中上部，真空泵(9)管線的入口位于電弧反應室(1)的中上部并與電弧反應室(1)相連，該裝置的維持發生器內氣體壓力為常壓的單元通過一條管線經過電弧反應室(1)的蓋子與電弧反應室(1)相連接。
2.根據權利要求1所述的一種無定形納米碳管的制備裝置，其特征在于所述的維持發生器內氣體壓力為常壓的單元組成如下包括兩個氣體出口，氣體出口(10)和“U”型壓力計(11)相連，在氣體出口(10)前面留有一個備用氣體出口，氣體出口(12)通過透明的管線插入封閉的水桶(13)中，水桶(13)置于水池(14)中。
3.一種利用權利要求1所述的裝置制備無定形納米碳管的方法，其特征在于該方法以制備的炭棒為陽極，高純石墨棒為陰極，在緩沖氣體與其它氣體的體積比為4∶1的混合氣氛中，通過常壓下電弧放電制備無定形納米碳管材料，所得納米碳管材料主要在陰極上形成，制備的具體步驟如下(1)陽極炭棒是通過將焦化廠廢棄焦粉與煤焦油及金屬鎳粉催化劑按照質量比為68.2∶24.5∶7.3的比例混合，接著，混合物在螺旋給料機上擠壓成直徑為1.00cm的焦棒，最后，將焦棒在管式爐中通過程序升溫達900℃，并在此溫度下炭化4小時，從而獲得具有一定電導率的炭棒，所得炭棒的外徑為0.95cm，長度為15cm；(2)接通真空泵電源，將電弧反應室(1)內抽為0.065MPa的負壓，接通氮氣氣源，往電弧反應室(1)內充入氮氣，使得反應器內的壓力為0.100MPa；(3)重復步驟(2)兩次；(4)接通真空泵電源，將電弧反應室(1)內抽為0.065MPa的負壓，接通其它氣體氣源，向電弧反應室(1)內充入其它氣體，使得電弧反應室(1)內的壓力達到0.052MPa，接著，接通緩沖氣體，向電弧反應室(1)內充入緩沖氣體，使得反應器內的壓力達到0.100MPa，從而使得緩沖氣體和其它氣體的體積比為4∶1；(5)接通冷卻水電源，開啟電弧電源并引發電弧放電，電弧放電15分鐘后停止，含無定形納米碳管的固相產物主要在陰極形成。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的緩沖氣體是氦氣，或是氮氣；所述的其它氣體是乙炔，或是乙炔和二氧化碳的混合氣。
全文摘要
本發明公開了一種無定形納米碳管的制備方法及裝置，屬于煤化工、化學反應工程及炭素材料科學相互交叉的技術領域，本發明是將焦粉和煤焦油及鎳粉經混合、成型、炭化制成電弧放電所需的陽極炭棒在緩沖氣體(氦氣或氮氣)和其它氣體(乙炔或者乙炔和二氧化碳)的混合氣氛下通過常壓下電弧放電制備無定形納米碳管材料。本發明在能維持常壓的電弧放電裝置中，利用高溫和富含高活性粒子的電弧等離子體實現無定形納米碳管材料的制備。這種方法具有原料易得、成本低、操作簡便可控、工藝流程短及系統工作穩定等特點，該裝置結構新穎，手段先進，制備的無定形納米碳管材料應用領域廣泛。
文檔編號B82B3/00GK1923680SQ200610153320
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月5日 優先權日2006年9月5日
發明者何孝軍, 鄭明東, 蔣莉, 晏善成, 樊傳剛 申請人:安徽工業大學