[发明专利]制备碳纳米纤维的方法和系统

说明书

版权

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优先权

本申请要求2015年2月26日提交的美国临时申请第62/120,951号和2015年10月13日提交的美国临时申请第62/240,805号的优先权，其二者的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及碳纳米材料的生产，具体地涉及从提供熔融碳酸盐的电解产生碳纳米材料，同时在CO₂中混合以分离碳和氧。

发明背景

正如冰川和冰盖损失、海平面上升、干旱、飓风、物种灭绝和经济损失所证实的，已经能够确立大气二氧化碳浓度升高对于对全球变暖的影响。诸如碳纳米纤维的碳纳米材料越来越多地用于高强度、复合的建筑材料，其范围包括从高端运动器材到轻型汽车和飞机机体。碳纳米纤维不仅能够结合CO₂，而且当从CO₂生产时，可以消除与钢铁、铝和水泥生产相关的大量CO₂排放，并通过促进风力发电机和轻量化、低碳排放的运输来进一步减少排放。然而，鉴于每吨煤的价值约为60美元，每吨石墨的价值约为1000美元，而碳纳米纤维的价值则从每吨2万美元到10万美元不等。今天，与铝相比，生产碳纳米纤维的所需能量为30-100倍。通常认为通过电解在熔融碳酸锂中有效或高产量生产碳纳米管和纳米纤维是不可能的。

从1985年开始，在认识到各种独特的如富勒烯、纳米管和纳米纤维的碳纳米结构之前，早在十九世纪末人们就已经认识到可从氢氧化物和氯化钡/碳酸钡熔体中将碳酸盐还原成无机熔融电解质中的(宏观)碳。今天，碳纳米纤维制备的主要方法是将聚合物纳米纤维前体纺丝，然后进行碳化热处理和催化热化学气相沉积(CVD)生长。通过金属或合金来催化碳纳米纤维的CVD生长，金属或合金能够溶解碳以形成金属碳化物，包括镍、铁、钴、铬和钒的碳化物。相对于碳纳米纤维，需要低水平的催化剂，并且在纤维尖端处观察到明显的催化剂纳米颗粒，以及沿着在碳纳米纤维生长期间迁移的纤维观察到催化剂簇。已经观察到各种碳纳米纤维形态，包括线性、线圈形和球形聚集的碳纳米纤维。这些技术昂贵，难以大规模实施，导致了目前碳纳米纤维的高成本。

碳纳米纤维的电化学合成尚未得到广泛的探索。固体碳电极已经通过碱金属形成、嵌入碳和剥离碳而在熔融的卤化物溶液中电解来转化成诸如纳米管的纳米结构。与固体碳的转化不同，用碳和铂电极研究的CO₂直接还原的速率，受限于在需要高(15atm)CO₂压力的熔融卤化物中CO₂的低溶解度并伴随有电极腐蚀。对熔融氯化物中的5-10％Li₂CO₃的研究得出结论，由于发生碳的还原和沉积而非锂排放和嵌入到阴极中，因此在熔融碳酸锂中电解生产碳纳米管和纳米纤维是不可能的。

因此，需要从熔融碳酸盐材料生产碳纳米材料的有效方法。还需要从太阳能炉和电解系统生产碳纳米材料。需要从熔融Li₂CO₃提供替代性的碳纳米材料过渡金属核生长途径，以促进从电解中生长碳纳米材料。

发明概述

根据一个实例，公开了产生碳纳米材料的系统。所述系统包括容纳碳酸盐的炉室。所述炉室被加热以产生熔融碳酸盐。电解装置具有阳极和阴极以便对所述熔融碳酸盐施加电解。分散器在所述阴极上形成过渡金属成核剂从而积累碳纳米材料。

另一个公开的实例是制备碳纳米材料的方法。加热碳酸盐以产生熔融碳酸盐。将阳极和阴极插入到所述熔融碳酸盐中。向所述熔融碳酸盐中提供过渡金属成核剂。在所述阳极和所述阴极之间提供电解，从而在所述阴极处从成核位置形成碳纳米材料。

根据参考附图(其简要描述在下面提供)而对各种实施方案进行的详细描述，本发明另外的方面对于本领域普通技术人员将是显而易见的。

附图说明

图1是从碳酸盐生产碳纳米材料的电解系统框图；

图2A是在图1的系统中使用的太阳能炉和电解系统的详细图；

图2B是在图1的系统中使用的替代性太阳能炉和电解系统的详细图；