[发明专利]用于合成碳纳米管的方法和装置

说明书

本文提供了用于生产具有高结构均匀性和低杂质水平的碳纳米管(CNT)的方法和装置。该装置包括，例如，用于在衬底上沉积催化剂的模块，用于形成CNT的模块，用于从衬底分离CNT的模块，用于收集CNT的模块以及用于连续且顺序地推进衬底通过上述模块的模块。该方法包括，例如，在移动的衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，以及从表面收集碳纳米管的步骤，其中衬底顺序移动通过沉积、形成、分离和收集步骤。

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,942号、2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,945号和2017年8月22日提交的美国临时申请序列第62/548,952号的优先权，其全部通过引用整体并入本文。

技术领域

本文提供了用于生产具有高结构均匀性和低杂质水平的碳纳米管(CNT)的方法和装置。该装置包括，例如，用于在衬底上沉积催化剂的模块，用于形成CNT的模块，用于从衬底分离CNT的模块，用于收集CNT的模块以及用于连续且顺序地推进衬底通过上述模块的模块。该方法包括，例如，在移动衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，以及从表面收集碳纳米管的步骤，其中衬底顺序移动通过沉积、形成、分离和收集步骤。

背景技术

碳纳米管(CNT)是碳的同素异形体，具有圆柱形结构和直径，其直径范围为小于约1nm至约100nm。CNT由于与纳米级尺寸相关的许多优越特性，因此在许多行业中都有许多潜在的应用。例如，特性诸如高热导率、电导率、机械强度和柔性以及高纵横比是导致越来越多地应用CNT的原因。

目前的CNT制造方法典型地产生大量杂质(诸如例如，金属催化剂和无定形碳)的CNT。在CNT经由传统制造方法合成之后通常需要纯化步骤以提供相对纯的碳纳米管。CNT纯化步骤需要大型且昂贵的化学设备，这使得生产大量纯度大于90％的CNT极其昂贵。此外，本CNT制造方法产生具有低结构均匀性的CNT(即，可变长度的CNT)。

因此，需要提供具有高结构均匀性和低杂质水平的高质量和廉价CNT的新方法和装置。

发明内容

本发明通过在一个方面提供合成碳纳米管的方法满足了这些和其他需要。在一些实施例中，纳米管是多壁碳纳米管。在其他实施例中，纳米管是单壁碳纳米管。在仍其他实施例中，纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物。该方法包括在恒定移动的衬底上沉积催化剂，在衬底上形成碳纳米管，从衬底分离碳纳米管，以及收集碳纳米管的步骤，其中衬底顺序移动通过沉积、形成、分离步骤和收集步骤。

在另一方面，提供了用于合成碳纳米管的装置。在一些实施例中，纳米管是多壁碳纳米管。在其他实施例中，纳米管是单壁碳纳米管。在仍其他实施例中，纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物。该装置包括在衬底上沉积催化剂的催化剂模块，在衬底上形成碳纳米管的纳米管合成模块，从衬底分离碳纳米管的分离模块，收集碳纳米管的收集模块以及用于推进衬底顺序通过催化剂模块、纳米管模块、分离模块和收集模块的传送模块。

附图说明

图1示出了合成碳纳米管的示例性流程图，其包括在衬底上沉积催化剂；在衬底上形成碳纳米管；从衬底分离碳纳米管；以及收集具有高纯度和结构均匀性的碳纳米管的步骤

图2示出了合成碳纳米管的示例性流程图，其包括在衬底上形成碳纳米管；从衬底分离碳纳米管；以及收集具有高纯度和结构均匀性的碳纳米管的步骤。

图3示出了连续合成碳纳米管的示例性流程图，其包括在恒定移动的衬底上连续沉积催化剂；在移动衬底上形成CNT；从移动衬底分离CNT；以及收集具有高纯度和结构均匀性的碳纳米管的步骤。