[发明专利]一种棱台型火焰燃烧器及其合成碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管合成技术领域，具体涉及一种棱台型火焰燃烧器及其合成碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是一种新型的一维碳纳米材料，是由日本的饭岛博士于1991年在观测透射电镜时发现的。由于其独特的石墨结构、高表面比率和小直径等特征，吸引了大量研究者致力于其结构、合成、应用等方面的研究。潜在的应用包括纳米电子设备、探针、感应器、吸收剂、催化、复合材料增强剂等。目前碳纳米管的合成方法主要有电弧放电法(arc discharge)、激光蒸发法(laser vaporization)和化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)，这些方法都是比较成熟的方法，从事这些方法研究的学者专家们得到了性能较好的碳纳米管。但是这些方法包括其改进或外延方法大多受限于成本高或批量非连续化合成。实现低成本、设备简单、操作容易、连续制备、商业化合成是目前几乎所有碳纳米管合成研究者的追求目标。火焰合成法(flame synthesis)不需要特殊的环境，在大气常压中就可以进行，并且火焰法设备简单、操作方便、可以实现连续合成，具有大规模商业化合成的潜力。目前火焰法合成碳纳米管有代表性的研究主要有：

1.美国肯塔基大学的Liming Yuan等人“Liming Yuan，Kozo Saito，Chunxu Pan，et al.Nanotubes from methane flames[J].Chemical Physics Letters，2001，V340(3-4)：237-241”采用的是大管套小管的层流扩散火焰合成多壁碳纳米管。直径为11mm的不锈钢管小管内流出的是甲烷和辅助气体，小管和直径为50mm的大管之间输送的是空气，镉、镍、铁等金属附在取样探针上作催化剂。

2.美国宇航局Vander wal等在文献“Vander wal RL.Fe-catalyzed single-walled carbon nanotubes synthesis within a flame environment[J].Combustion and Flame，2002，V130(1-2)：37-47”中采用McKenna燃烧器合成碳纳米管。外径50mm的环形燃烧器，外环建立富燃料预混平面火焰作为热源，中间11mm直径中心管出口与外环出口平齐，中心管通含金属催化剂的反应气体混合物，加入稀释剂降低温度。紧靠燃烧器上方垂直布置一个直径25mm薄壁圆管作为稳定罩，在稳定罩出口利用取样碳针收集单壁碳纳米管。

3.日本庆应义塾大学的Shunpei Nakazawa等人“Shunpei Nakazawa，Takeshi Yokomori，Masahiko Mizomoto.Flame synthesis of carbon nanotubes in a wall stagnation flow.Chemical physics letters，2005，V403(1-3)：158-162”采用驻定平板燃烧器研究多壁碳纳米管的合成。乙烯、空气和氮气在一个长1000mm、内径10mm的不锈钢管燃烧器内混合，在管端的喷嘴燃烧，乙烯提供合成碳纳米管的碳源和热源。距管端燃烧喷嘴8mm处是一个直径76mm附有催化剂镍的驻定平板，碳纳米管在驻定平板表面生成。这种方式燃烧形成的是预混焰，但由于整个燃烧都暴漏在大气中，因此预混焰的外侧同时有扩散焰的成分，这就造成了火焰中的含碳量呈喇叭口状，同时驻定平板中间氧气含量较低，外侧氧气含氧量较高，在燃氧比适宜的环形带上得到多壁碳纳米管。

4.韩国成均馆大学的Sang Kil Woo等人“Sang Kil Woo，Young Taek Hong，Oh Chae Kwon.Flame synthesis of carbon nanotubes using a double-faced wall stagnation flow burner.Carbon，2009，47(3)：912-916”采用双面驻定平板燃烧器合成碳纳米管。燃烧器由镍涂覆的驻定平板及其上下两个喷嘴(内径3mm，长径比为100)组成，乙烯、空气和氮气的混合物从上下两个喷嘴喷出燃烧并冲击驻定平板的上下两面，驻定平板上得到碳纳米管。