[发明专利]一种可控火焰燃烧器及其合成碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管合成技术，尤其涉及一种可控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)是碳的同素异构体，是由层状结构石墨烯片卷成的纳米尺寸的空心管，具有很高的长径比，同时具有极好的力学、电学和热学性能。1991年日本电镜专家饭岛澄男(Sumio Iijima)利用电子显微镜首先发现了碳纳米管的存在。目前，碳纳米管的合成方法主要有四种：电弧放电法(arc discharge)、激光蒸发法(laser vaporization)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)和火焰合成法(flame synthesis)。其中，火焰合成法(利用燃烧火焰合成碳纳米管)是一个全新的技术和研究领域。

前三种传统合成方法(电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法)设备复杂，成本较高，产量低，不能连续操作，而火焰合成法在大气常压下就可进行，且设备简单，成本低廉，合成时间短，具有商业化批量合成的可能。

2000年以前，火焰法合成碳纳米管的研究较少，具有代表性的是1994年比利时的Ivanov等人在文献“Ivanov V,Nagy J B et,al.The Study of Carbon nanotubes Produced by Catalytic Method.Chem Phys Lett.1994,223:329-335”中用乙炔通过热解在钴和铁等催化剂粒子上长出直径几十纳米的碳纳米管。同年，美国麻省理工学院的Howard等人在文献“Howard JB,Das Chowdhury K,Vander Sande JB.Carbon shells in flames.Nature,1994,370(6491):603”中发现在充氧及稀释剂的低压容器中燃烧乙炔、苯或乙烯等可以得到碳纳米管。

2000年以后，国内外才逐渐开展火焰法合成碳纳米管的研究工作。

2000年美国宇航局Vander wal等人在文献“Vander wal RL,Ticich TM,Curtis VE.Diffusion Flame Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Chem Phys Lett.2000,354(1-2):20-4”中采用“裂解火焰”得到了碳纳米管。2002年美国宇航局的Vander wal等人在文献“Vander wal RL,Fe-Catalyzed.Single-walled Carbon Nanotubes Synthesis within a Flame Environment.Combustion and Flame.2002,130:37-47”中采用可燃气体为碳源，利用麦肯纳燃烧器(McKenna burner)得到了少量单壁碳纳米管。

2004年美国麻省理工学院Height和Howard等人在文献“Height MT,Howard JB,Tester JW et al.Flame Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes.Carbon.2004,42:2295-2307”中用充氧和稀释剂的燃烧乙炔预混气体，在燃烧器出口的层流平面火焰后面不同高度处收集到了单壁碳纳米管。

2005年日本NaKazawa等人在文献“NaKazawa S,YoKomori T,Mizomoto M.Flame Synthesis of Carbon Nanotubes in a Wall Stagnation Flow.Chemical Physics Letter.2005,403:158-162”中采用富燃料的乙炔/空气的预混气射流冲击涂有镍催化剂层的陶瓷驻定平板，形成喇叭状火焰，并在驻定平板上窄环形带区域生成了多壁碳纳米管。

2008年韩国的Sang Kil Woo等人在文献“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”中采用双面壁驻流燃烧器得到了碳纳米管。