[发明专利]一种连续制备碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，尤其是涉及一种纳米碳纤维或纳米碳管的制备方法。

背景技术

碳元素作为自然界最普遍的元素之一，以其特有的成键轨道，构成了庞大的碳系家族。石墨结构是碳原子以层面六边形网格形式规则排列，在层面内，碳原子与周围三个碳原子以共价键连接，碳原子间距0.142nm，层间内的键强度为627kJ/mol。石墨形式的碳在沿六方层平面方向的杨氏模量为1000GPa，因此，具有层面六边形结构的石墨沿着平行于基面轴向生长，可得到具有优异性能的碳纤维；单层或多层石墨片卷曲而成的低密度、高热稳定性、高强度的纳米碳管。

目前，化学气相沉积法是制备碳纤维或纳米碳管的常用方法，但是该方法对工艺条件的控制要求极为严格，且其影响因素繁多。寻找一种工艺简单易行的制备方法，有利于降低碳纤维或纳米碳管产业化成本，达到低耗环保的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种简单易行、经济高效且环保的连续制备纳米碳纤维或纳米碳管材料的方法，该方法以化学气相沉积法为基础，选用合金球体为催化剂，气态含碳化合物为碳源制备纳米碳纤维或纳米碳管材料。碳源进入炉腔在固体催化剂上生长，炉腔中大小球回转研磨，既限制了碳纤维或碳管的长度，又保持了催化剂的活性。该方法通过控制碳源的进入量、炉腔长度、固体催化剂大小球比例及固体催化剂在炉腔中的体积来控制碳纤维或碳管的直径与长度。该方法工艺时间短、能源耗费低、操作简单易控、环保无污染。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种连续制备碳材料的方法，包括以下步骤：（1）制备固体催化剂，按比例将所需金属熔融，然后浇筑成球体或圆柱体，所述固体催化剂包括组成通式为aM₁bM₂cM₃dM₄eM₅的合金，所述通式中M_1，M_2，M_3，M_4，M₅选自Fe、Co、Ni、W、Mo、Mg，且0≤a≤1，0≤b≤1，0≤c≤1，0≤d≤1，0≤e≤1；（2）将固体催化剂加入到回转炉中，炉中通入保护气体；（3）回转炉升温至一定温度后，向其中通入碳源进行反应；（4）收集得到的纳米碳材料。

优选的，所述固体催化剂为Fe、Co、Ni、W、Mg合金或Fe、Co、Ni、W、Mo合金或Fe、Co、Ni、Mo合金或Co、Ni、W、Mo合金或Co、Ni、W、Mo、Mg合金或Fe、Co、Ni合金。

优选的，所述固体催化剂为合金、表面包覆该合金的陶瓷或其混合，所述的陶瓷选自氧化镁，氧化锆。

优选的，所述步骤（1）中的固体催化剂的球体或圆柱体的直径为0.1-100mm，圆柱体高为0.1-100mm。

优选的，所述步骤（2）中催化剂的进料量为炉腔体积的25%-75%，大小球配合加入，小球直径为大球直径的13%-33%，小球质量为大球质量的3-7%；优选加入的大小球配合加入质量比为4-5：1。

优选的，所述步骤（2）中保护气体为氮气、氩气、氢氮混合气或氢氩混合气；混合气体中的氢气分压为1-10KPa。

优选的，所述步骤（3）中碳源为一氧化碳、苯、甲苯、甲醇、乙醇、气态烷烃一种或两种以上混合，其中气态烷烃为甲烷、乙炔、乙烯一种或其混合。

优选的，所述回转炉的炉腔材料选自不锈钢材料、石墨材料、陶瓷材料、刚玉；炉腔分为三段控温区间；炉腔两端带有炉篦，炉篦孔径是催化剂小球直径的80%-90%。

所述三段控温区间温度分别为：100-600℃，600-1600℃，600-100℃。

优选的，所述步骤（2）的回转炉升温到600-1000℃。

与现有技术相比，本发明优点是：大大简化了现有的制备方法，满足环保要求，同时降低了生产成本；本发明催化效率高，制备工艺简单易行。

附图说明