一种热解火焰法连续合成碳纳米管的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于碳纳米管合成装置技术领域，特别涉及一种热解火焰法连续合成碳纳米管的系统。
【背景技术】
[0002]1991年，日本NEC公司基础研宄实验室的电子显微镜专家饭岛(Lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外地发现了碳纳米管，又名巴基管。其为由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。直径一般在一到几十个纳米之间，而长度远大于其直径。
[0003]作为一维纳米材料，碳纳米管重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近年来，随着科学家对碳纳米管及纳米材料研宄的深入，碳纳米管广阔的应用前景也不断的展现出来。其在超级电容，储氢材料，场发射器，原子力显微镜探针，锂离子电池，催化剂载体，碳纳米管复合材料等方面已经得到了一些很好的应用。
[0004]随着科技的发展以及科学家们的不懈探索与研宄，成功制备碳纳米管的可行方法越来越多。自碳纳米管发现至今，其主要的合成方法归结为以下四种:电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法和火焰法。电弧放电法和激光蒸发法虽然能制备出较高纯度的碳纳米管，但其设备普遍较复杂，功耗大，成本也高，不适合大规模的合成。化学气相沉积法虽然产率较高，但其需要隔绝大气环境，且产品的石墨化程度也并不是很高。
[0005]火焰法具备在大气条件下连续制备，设备简单，节能，成本低，大尺寸、大规模批量制备的潜力。国内外不乏通过火焰法成功合成碳纳米管的实例。
[0006]国外的Vander Wal等报道了采用热蒸发技术产生催化剂纳米微粒的火焰法。该方法基本上以本身燃烧释放出来的热量加热，大大减少了能源的消耗，从而降低了产品的成本。美国肯塔基大学Saito等人主要研宄碳黑的火焰合成，2001年其研宄组的LiM博士利用甲烷和乙烯形成的层流扩散火焰成功合成了平均直径为20nm?60nm的多壁碳纳米管。Richter等人通过对乙炔、氧、氩气的混合气燃烧后的炭黑检测，观察到了附着大量非晶碳的单层碳纳米管。K.Daschowdhury等在苯、乙炔、乙稀同氧、惰性气体的混合物燃烧后的炭黑里也发现了纳米级的球状物、管状物。
[0007]在国内，清华大学的于晓丽等人采用乙炔/空气预混法合成了多壁碳纳米管。武汉大学潘春旭等人采用实验室常用的液态燃料酒精产生的扩散火焰成功合成了碳纳米管，该小组的研宄使碳纳米管的制备得到了进一步简单化。
[0008]火焰法合成碳纳米管已经取得了重要进展，但还有大量工作需要进一步深入研宄。其中，火焰法合成碳纳米管需要具备三要素，即热源、碳源和催化剂。目前火焰法多数都是碳源气体一并充当燃料气体直接进行燃烧制备碳纳米管，从而同时提供了热源和碳源。还有一些类型的火焰法制备碳纳米管，虽然已经将碳源与热源分开，使合成环境更加稳定，但造成了碳源气体反应之后多余的部分无法被有效利用的困局。【实用新型内容】
[0009]针对现有技术不足，本实用新型提供了一种热解火焰法连续合成碳纳米管的系统。
[0010]一种热解火焰法连续合成碳纳米管的系统，所述热解火焰法连续合成碳纳米管的系统包括燃料预混腔室、喷嘴、合成预混腔室、合成腔室、尾气导流通道、喷口、履带式成品采集探针和传送带；其中，合成预混腔室上方设置合成腔室，合成预混腔室与合成腔室相连通；合成腔室上设置探针通道，履带式成品采集探针安装在传送带上，沿探针通道贯穿合成腔室；合成腔室顶端两侧分别设置I个尾气导流通道，合成腔室分别与每个尾气导流通道相连通；每个尾气导流通道分别弯折延伸至合成腔室外侧；在合成预混腔室两侧分别设置I个燃料预混腔室；每个燃料预混腔室上分别与燃料管道相连通，每个燃料管道分别弯折延伸至合成腔室外侧；合成预混腔室底部分别设置氢气进口、碳源气体进口和氦气进口 ；每个燃料预混腔室底部分别设置氧化剂气体进口和燃料气体进口。
[0011]所述热解火焰法连续合成碳纳米管的系统材质为304钢。
[0012]在所述每个燃料管道上，分别在合成腔室外侧处设置喷嘴。
[0013]所述合成腔室上的探针通道为条状矩形开口形。
[0014]在所述合成腔室侧壁上，探针通道一端设置探针通道入口，另一端设置探针通道出口。
[0015]在所述每个尾气导流通道上，分别在合成腔室外侧处设置矩形喷口。
[0016]所述合成腔室的宽度小于合成预混腔室的宽度。
[0017]所述合成腔室与2个尾气导流通道构成“T”型结构。
[0018]所述热解火焰法合成碳纳米管的具体方法为:将一定配比和流量的燃料与氧化剂气体从下部通入到两侧的燃料预混腔室，并在喷嘴处点燃形成稳定火焰，用来加热中间的合成腔室。再将碳源气体以及各种合成辅助气体从下部通入到中间的合成预混腔室进行预混后，流经合成腔室进行合成反应。剩余尾气通过尾气导流通道流到两侧的尾气排放喷口，经下部燃料火焰加热点燃易燃气体进行燃烧，从而形成混合火焰，利用其热量共同加热合成腔室，达到并保持其合适的温度。
[0019]涂覆有催化剂的成品采集探针在传送带的驱动下，由探针通道入口一侧伸入到中心合成腔室。当一定时间后充分采集成品，由另一侧即探针通道出口取出。经适当后续处理，即可将成品从探针上取下。之后探针又被重新涂覆催化剂，循环往复。从而实现批量、连续生产碳纳米管的目的。其中，传送带驱动成品采集探针进出合成腔室的速度可以依靠温度传感器与数字计时器等附属部件来实现。
[0020]当然，成品采集探针的高度可以进行调节。其调节机制是在探针通道入口上下截开的条形通道。通过有效的密封方法，保证内部气体不会溢出。高度不同，内部区域的温度也不同，从而可以达到在不同温度(尤其是最佳温度高度)合成碳纳米管的目的。
[0021]另外，通过加长探针通道出口的条形管道，使其出口处的温度降低，从而能够冷却在高温环境生成的碳纳米管产品，防止其接触空气时发生高温氧化。
[0022]本实用新型的有益效果为:
[0023]本实用新型装置解决了利用已有的火焰法合成碳纳米管的过程中，通入中间腔室的可燃气体仅在顶部出口燃烧耗尽而其产生的热能未被充分利用的问题；同时，也可以避免从顶部出口取出取样探针时，合成的碳纳米管经过燃烧的火焰，而被其烧坏的问题；还可以保证碳纳米管产物能够很好的在保护气体中得到充分的冷却，从而取出后接触到空气不会被高温氧化；取样高度连续可调，可以配合外部两侧的火焰，在内部取样腔室的不同高度上造成的温度不同的规律，在不同温度条件下合成碳纳米管。另外，通过传送带的配合驱动，也可以达到连续批量合成碳纳米管的要求。
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型热解火焰法连续合成碳纳米管的系统结构示意图。
[0025]图2为本实用新型热解火焰法连续合成碳纳米管的系统的侧视结构示意图。
[0026]图3为本实用新型热解火焰法连续合成碳纳米管的系统的底部气体入口结构示意图。
[0027]图中标号:1-探针通道入口、2-探针通道出口、3-合成腔室、4-尾气导流通道、5-喷口、6-合成预混腔室、7-燃料预混腔室、8-喷嘴、9-履带式成品采集探针、10-传送带、11-氢气进口、12-碳源气体进口、13-氦气进口、14-氧化剂气体进口、15-燃料气体进口。
【具体实施方式】
[0028]本实用新型提供了一种热解火焰法连续合成碳纳米管的系统，下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步说明。
[0029]一种热解火焰法连续合成