[发明专利]一种高度纯化多壁碳纳米管的制备方法

说明书

本申请公开一种高度纯化多壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：（1）将催化剂与催化剂承载器皿结合，形成定型催化模块；（2）将所述定型催化模块置于加热单元内；（3）向所述加热单元通入置换气流，对加热单元内的空气进行置换，然后将所述加热单元升温至反应温度；（4）将所述置换气流切换为原料气流，产生黑色碳物质沉积于所述定型催化模块上；（5）将所述原料气流转换为纯化气流，将所述加热单元的温度调节至纯化温度，进行纯化；（6）将纯化气流转换为所述置换气流，停止加热；（7）将沉积于定型催化模块上的多壁碳纳米管与定型催化模块分离，得到多壁碳纳米管。本发明将分类除杂和一体化除杂融合，制备方法简单易行，成本较低。

技术领域

本发明属于碳纳米管制备技术领域，具体涉及一种高度纯化多壁碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管是一种由单层或多层二维石墨烯片卷积而成的无缝纳米级管状结构材料，自20世纪90年代被发现以来，其以完美的微观结构和优异的力学、电学、磁学、化学等性能而受到广泛关注和深入研究。

目前，碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法、激光蒸发法、碳氢化合物催化热解法、电解热合成法、化学气相沉积法等，其中碳氢化合物催化热解法对原料要求较低，可适应大多数常规/非常规天然气以及煤/石油/天然气化工低碳烃产物的原料特点，且设备灵活度高，既可满足小量、分散的撬装合成，又能实现大批量规模生产，是获取多壁碳纳米管产品的一种主要方法。但该方法一般使用粉末状催化剂，且反应温度较高，因此在产物中不可避免地会夹杂催化剂残留和共生的无定形碳、碳纳米颗粒、富勒烯等碳杂质。除少数情况下可直接使用外，大多数已有/潜在应用领域都对多壁碳纳米管产品有纯度要求，所以有必要对新鲜多壁碳纳米管产品进行有效提纯处理。

已有的文献报道中，针对催化剂残留，主要采取常温液相化学剂溶解及后续分离、洗涤的方式，而针对共生碳杂质，主要采取高温气相氧化/甲烷化的处理方式，另外亦有采用液相强氧化的非分类除杂方式。显然，液相除杂会大量使用化学剂，且处理流程较长，容易产生环境污染或增加成本，而气相除杂往往是高温密封环境，对设备要求较高，且温度匹配、置换处理和尾气处理/分离回用会增加成本、流程设备和操作时间。另外，常温液相和高温气相两种处理方式存在较大差异，无法实现连续化、一体化除杂，会显著影响多壁碳纳米管产品的纯度、经济性和规模化生产。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高度纯化多壁碳纳米管的制备方法，从分类除杂的角度出发，采用固定催化剂的方式实现其与多壁碳纳米管的有效分离，并在多壁碳纳米管催化合成后接续进行原位高温气相除碳杂质，从而获取高纯度多壁碳纳米管产品。

一种高度纯化多壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

（1）将催化剂通过矿物溶胶与催化剂承载器皿结合，形成定型催化模块；

（2）将所述定型催化模块置于加热单元内，所述加热单元为设置有进口和出口的密闭容器；

（3）向所述加热单元通入置换气流，对加热单元内的空气进行置换，然后将所述加热单元升温至反应温度；

（4）将所述置换气流切换为原料气流，产生黑色碳物质沉积于所述定型催化模块上，至黑色碳物质与加热单元顶部接触为止；

（5）将所述原料气流转换为纯化气流，将所述加热单元的温度调节至纯化温度，对所述黑色碳物质进行纯化，纯化时间0.5-3 h；

（6）将纯化气流转换为所述置换气流，然后停止加热，使所述定型催化模块自然降温至转移温度；

（7）将沉积于定型催化模块上的多壁碳纳米管与定型催化模块分离，得到多壁碳纳米管；

其中，所述原料气流为CH₄、惰性气体承载的CH₄、湿天然气、天然气净化气、油田伴生气、煤层气、页岩气中的一种；