JP7582711B2 - Continuous production system and method for single-walled carbon nanotubes - Google Patents
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Description
本発明は新材料の技術分野に属し、ナノカーボン材料に関し、特に単層カーボンナノチューブの連続製造システム及び製造方法に関する。 The present invention belongs to the field of new materials technology and relates to nanocarbon materials, and in particular to a continuous production system and production method for single-walled carbon nanotubes.
カーボンナノチューブの領域では、欠陥の量をどのように減らし、その構造の完全性を向上させるかに力を入れており、細いチューブ径、低欠陥や高グラファイト化の方向へ発展している。高性能電子デバイスの発展によって、半導体性質カーボン材料の発展をさらに促進し、構造を制御可能な単層カーボンナノチューブがその最終的目標となる。カーボンナノチューブの成長過程における触媒剤のサイズを制御するため、効率を犠牲にしなければいけない。触媒剤の粒子サイズが小さくなるように、触媒剤をかなり低い濃度にし、そして高温条件における凝集成長を避けるように、成長温度を制御する。しかしながら、単層カーボンナノチューブのチューブ径が細く、表面曲率が大きいため、安定したC-C共有結合構造を構築するのに、さらに大きな活性化エネルギーが必要であり、高度な結晶化も高温条件に依存する。したがって、高品質の単層カーボンナノチューブの製造技術における要点は、さらに高い製造反応温度が必要で、これと同時に、持続的に安定した原子状態の高活性触媒剤を得て、高効率の連続製造を実現することである。 In the field of carbon nanotubes, efforts are being made on how to reduce the amount of defects and improve the structural integrity, and the development is moving in the direction of small tube diameters, low defects and high graphitization. The development of high-performance electronic devices will further promote the development of semiconducting carbon materials, with single-walled carbon nanotubes with controllable structures as the ultimate goal. In order to control the size of the catalyst during the growth of carbon nanotubes, efficiency must be sacrificed. The catalyst is kept at a fairly low concentration so that the particle size of the catalyst is small, and the growth temperature is controlled to avoid agglomeration growth under high temperature conditions. However, due to the small tube diameter and large surface curvature of single-walled carbon nanotubes, a larger activation energy is required to build a stable C-C covalent bond structure, and the high crystallization also depends on high temperature conditions. Therefore, the key point in the production technology of high-quality single-walled carbon nanotubes is to require a higher production reaction temperature, and at the same time, to obtain a highly active catalyst with a stable atomic state that can be sustained, thereby realizing high-efficiency continuous production.
現在、単層カーボンナノチューブの製造方法は、主に、化学気相成長法、アークアブレーション法、レーザー法、プラズマ法などである。化学気相成長法はよく用いられる方法であり、固有の反応温度が低いため、カーボンナノチューブの結晶性が低いという欠点があることにより、化学気相成長法で製造された単層カーボンナノチューブは欠陥含有量が高い。Li Qingwen等(Li Qingwen, Yan Hao, Cheng Yan, Zhang Jin, Liu Zhongfan, A scalable CVD synthesis of high-purity single-walled carbon nanotubes with porous MgO as support material, J. Mater. Chem., 2002, 12, 1179-1183)には、酸化マグネシウムを担体とし、鉄を触媒剤とする化学気相成長法で単層カーボンナノチューブを製造する方法が開示されている。浮遊化学気相成長法では、担体がない気態反応過程を採用し、単層カーボンナノチューブ生成物の純度及び品質が明らかに改善された。H.M. Cheng等H.M. Cheng, F. Li, X. Sun, S.D.M. Brown, M.A. Pimenta, A. Marucci, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Bulk morphology and diameter distribution of single-walledcarbon nanotubes synthesized by catalytic decomposition ofhydrocarbons,Chemical Physics Letters 289, 1998. 602-610には、フェロセンとチオフェンを触媒剤とし、エタノールを炭素源とする浮遊化学気相成長方法が開示されている。管状炉の尾端(後端)からエアロゲル状の単層カーボンナノチューブ生成物を連続的に吹き出すことができ、後続の研究において、反応温度を高くし、助触媒剤を調整することで、単層カーボンナノチューブの品質が明らかに改善された。中国の特許202010326890.0には、改善された浮遊化学気相成長法による単層カーボンナノチューブを製造する設備及び工程が開示されている。縦型構造及び下から上への気体供給反応モデルが採用され、気流が上昇する自然傾向を利用し、上端での連続収集を実現できる。中国の特許201010234322.4には、直径を制御可能な単層カーボンナノチューブの製造方法が開示されている。高温アークアブレーション法を利用し、炭素粉末と金属触媒剤とを炭素電極に充填し、アークにより直接アブレーションして単層カーボンナノチューブを製造する。 At present, the main methods for producing single-walled carbon nanotubes are chemical vapor deposition, arc ablation, laser, plasma, etc. Chemical vapor deposition is a commonly used method, but it has the disadvantage that the crystallinity of carbon nanotubes is low due to its inherent low reaction temperature, so the single-walled carbon nanotubes produced by chemical vapor deposition have a high defect content. Li Qingwen et al. (Li Qingwen, Yan Hao, Cheng Yan, Zhang Jin, Liu Zhongfan, A scalable CVD synthesis of high-purity single-walled carbon nanotubes with porous MgO as support material, J. Mater. Chem., 2002, 12, 1179-1183) discloses a method for producing single-walled carbon nanotubes by chemical vapor deposition using magnesium oxide as a support and iron as a catalyst. The floating chemical vapor deposition method adopts a gas-phase reaction process without a support, and the purity and quality of the single-walled carbon nanotube product are obviously improved. H.M. Cheng et al. H.M. Cheng, F. Li, X. Sun, S.D.M. Brown, M.A. Pimenta, A. Marucci, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Bulk morphology and diameter distribution of single-walled carbon nanotubes synthesized by catalytic decomposition of hydrocarbons, Chemical Physics Letters 289, 1998. 602-610, discloses a floating chemical vapor deposition method using ferrocene and thiophene as catalysts and ethanol as a carbon source. The aerogel-like single-walled carbon nanotube product can be continuously blown out from the tail end of the tubular furnace, and in subsequent studies, the quality of the single-walled carbon nanotubes was significantly improved by increasing the reaction temperature and adjusting the co-catalyst. Chinese Patent 202010326890.0 discloses an improved floating chemical vapor deposition method for producing single-walled carbon nanotubes. A vertical structure and bottom-to-top gas supply reaction model are adopted, utilizing the natural tendency of the airflow to rise, allowing continuous collection at the top. Chinese Patent 201010234322.4 discloses a method for producing single-walled carbon nanotubes with controllable diameter. Using the high-temperature arc ablation method, carbon powder and metal catalyst are filled into a carbon electrode, and single-walled carbon nanotubes are produced by directly ablation using an arc.
しかし、単層カーボンナノチューブの巨大な表面積の特性により、非常に凝集しやすく、膜状物が形成される。従来のサイクロン分離又は濾過の方法では、濾過装置が短時間で目詰まりしやすく、連続運転ができない。高温反応に影響を与えない状況で安定して連続収集することが、依然として難しい課題である。 However, due to the huge surface area of single-walled carbon nanotubes, they are very prone to agglomeration and form a membrane. With conventional cyclone separation or filtration methods, the filtration equipment is prone to clogging within a short period of time, making continuous operation impossible. Stable, continuous collection without affecting the high-temperature reaction remains a difficult challenge.
本発明の主な目的は、従来技術における不足を克服し、単層カーボンナノチューブの連続製造装置及び方法を提供することである。 The primary objective of the present invention is to overcome the deficiencies of the prior art and provide an apparatus and method for continuous production of single-walled carbon nanotubes.
上記の発明目的を実現するために、本発明の技術的解決手段は以下の通りである。単層カーボンナノチューブの連続製造システムであり、カーボンナノチューブの製造装置は、
直流アーク炎を発生させ、対電極としての金属触媒剤を蒸発させ、高温熱分解した有機炭素源と結合し、単層カーボンナノチューブの生成を触媒するための高温反応室と、
生成した単層カーボンナノチューブを冷却し、冷却された単層カーボンナノチューブを磁気分離法によって分離・濃縮し、気体の吹き戻し(ブローバック)を利用し収集するための収集装置と、
前記高温反応室と収集装置を補助し、単層カーボンナノチューブの連続製造を完了させるための補助ユニットとを含んでいる。
In order to achieve the above object of the invention, the technical solution of the present invention is as follows: A continuous single-walled carbon nanotube manufacturing system, the carbon nanotube manufacturing apparatus includes:
a high-temperature reaction chamber for generating a direct current arc flame, evaporating a metal catalyst agent as a counter electrode, and combining with the high-temperature pyrolyzed organic carbon source to catalyze the production of single-walled carbon nanotubes;
a collector for cooling the produced single-walled carbon nanotubes, separating and concentrating the cooled single-walled carbon nanotubes by a magnetic separation method, and collecting the single-walled carbon nanotubes by using a gas blowback;
and an auxiliary unit to assist the high temperature reaction chamber and the collection device to complete the continuous production of single-walled carbon nanotubes.
前記高温反応室と前記収集装置が直列に接続されている。前記補助ユニットは、前記高温反応室と前記収集装置のそれぞれに接続されている。 The high-temperature reaction chamber and the collection device are connected in series. The auxiliary unit is connected to each of the high-temperature reaction chamber and the collection device.
さらに、前記補助ユニットは、真空ユニット、ガス流路ユニット、電源ユニット及び供給ユニットを含んでいる。 Furthermore, the auxiliary unit includes a vacuum unit, a gas flow passage unit, a power supply unit and a supply unit.
前記高温反応室の底部に底部電極が配置されている。前記底部電極に、触媒剤を入れるための坩堝が配置されており、斜めに挿し込まれた前記高温反応室の内部アークガンは、前記底部電極の鉛直上方に位置している。 A bottom electrode is placed at the bottom of the high-temperature reaction chamber. A crucible for placing a catalytic agent is placed on the bottom electrode, and the internal arc gun of the high-temperature reaction chamber is inserted at an angle and positioned vertically above the bottom electrode.
前記高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口が設けられており、高温反応室の側壁に沿って接線方向に、前記高温反応室の内部にまで延在する。前記高温反応室の側壁に、前記有機炭素源混合ガス接続口が位置する高さは、前記坩堝の高さより高くない。
前記高温反応室の頂部において直上方向を向いた開口は、配管を介して前記収集装置に接続されている。前記底部電極の斜め上方に位置する、高温反応器の頂部の一側に、供給接続口が設けられている。
An organic carbon source mixed gas connection port is provided on the side wall of the high temperature reaction chamber and extends tangentially along the side wall of the high temperature reaction chamber to the inside of the high temperature reaction chamber, and the height at which the organic carbon source mixed gas connection port is located on the side wall of the high temperature reaction chamber is not higher than the height of the crucible.
The top of the high temperature reaction chamber has an opening facing straight up that is connected to the collector via piping. A supply connection is provided on one side of the top of the high temperature reactor, diagonally above the bottom electrode.
前記真空ユニットは、気固分離器の排出ガス出口に接続されている。前記ガス流路ユニットは、高温反応室の有機炭素源混合ガス接続口とキャリアガス入口にそれぞれ接続されている。 The vacuum unit is connected to the exhaust gas outlet of the gas-solid separator. The gas flow passage unit is connected to the organic carbon source mixed gas connection port and the carrier gas inlet of the high-temperature reaction chamber.
前記電源ユニットは、電力を供給する。 The power supply unit supplies power.
前記供給ユニットは、高温反応室の供給接続口に接続されている。 The supply unit is connected to the supply connection port of the high-temperature reaction chamber.
さらに、前記収集装置の数は、1つ又は2つである。 Furthermore, the number of collection devices is one or two.
前記収集装置は、輸送管、冷却ユニット、気固分離器及び粉状材料収集タンクを含んでいる。 The collection device includes a transport pipe, a cooling unit, a gas-solid separator and a powder material collection tank.
前記輸送管の一端は前記高温反応室の頂部に連通しており、他端は三方管を介して前記気固分離器及び粉状材料収集タンクにそれぞれ連通している。前記気固分離器と粉状材料収集タンクとの間に、中間バルブが配置されている。前記冷却ユニットが前記輸送管に設置されていることによって、冷却ユニットが設置されている輸送管の内部に冷却室が形成されている。 One end of the transport pipe is connected to the top of the high-temperature reaction chamber, and the other end is connected to the gas-solid separator and the powdered material collection tank via a three-way pipe. An intermediate valve is disposed between the gas-solid separator and the powdered material collection tank. The cooling unit is installed in the transport pipe, so that a cooling chamber is formed inside the transport pipe in which the cooling unit is installed.
前記気固分離器に、排出ガス出口と吹き戻し入口が設けられており、前記吹き戻し入口は、前記ガス流路ユニットに接続されている。 The gas-solid separator is provided with an exhaust gas outlet and a blowback inlet, and the blowback inlet is connected to the gas flow path unit.
さらに、前記高温反応室は、高温セラミックの内張り部及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成されている。前記内張り部は、鋼玉石又はムル石である。前記高温断熱層は、多孔質セラミック、セラミック繊維フェルト、中空セラミックビーズ、グラファイト又はグラファイトフェルトである。 Furthermore, the high temperature reaction chamber is constructed of a double water-cooled stainless steel housing including a high temperature ceramic lining and a high temperature insulation layer. The lining is corundum or mullite. The high temperature insulation layer is porous ceramic, ceramic fiber felt, hollow ceramic beads, graphite, or graphite felt.
さらに、前記気固分離器で用いられる分離方法は、電子制御の磁気分離法である。前記気固分離器の磁界豊富領域は、電磁コイルが巻き付けられた複数本の石英管が集束して構成される。 The separation method used in the gas-solid separator is an electronically controlled magnetic separation method. The magnetic field-rich region of the gas-solid separator is formed by converging multiple quartz tubes wrapped with electromagnetic coils.
本発明のもう1つの目的は、上述の単層カーボンナノチューブの連続製造システムを利用して、単層カーボンナノチューブを製造する方法を提供することである。前記方法は、直流アーク炎で発生する高温を利用し、対電極としての金属触媒剤を蒸発させ、触媒剤微小粒子を形成し、これが高温熱分解した有機炭素源と結合し、単層カーボンナノチューブの生成を触媒し、冷却する。冷却後、磁気分離法によって、得られた単層カーボンナノチューブ粉体を濃縮・分離し、最終的に、気固分離器を気体で吹き戻し(ガスブローバックし)、高純度で、高生産率で、均一な構造の単層カーボンナノチューブを得る。 Another object of the present invention is to provide a method for producing single-walled carbon nanotubes using the above-mentioned continuous single-walled carbon nanotube production system. The method utilizes the high temperature generated by the DC arc flame to evaporate a metal catalyst as a counter electrode, forming catalyst microparticles, which combine with an organic carbon source pyrolyzed at high temperature to catalyze the production of single-walled carbon nanotubes, and then cooling. After cooling, the resulting single-walled carbon nanotube powder is concentrated and separated by a magnetic separation method, and finally, the gas-solid separator is blown back with gas (gas blowback) to obtain single-walled carbon nanotubes with high purity, high productivity, and uniform structure.
さらに、具体的に、以下の工程を含む。
S1)システム内の空気を全て排出し、高温反応室に保護ガスを注入する。直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、直流アークガンを徐々に持ち上げ、指定長さのアーク炎を得る。
S2)触媒剤を底部電極の坩堝内に供給し、アーク炎の作用によって触媒剤が蒸発し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。有機炭素源混合ガスが螺旋状の上昇気流を形成し、蒸発によって形成された触媒剤微小粒子に結合し、カーボンナノチューブの成長が始まる。
S3)磁気分離技術を用いて、冷却されたカーボンナノチューブを収集装置の内壁上に濃縮させる。
S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスの吹き戻し(ブローバック)を利用し、濃縮されたカーボンナノチューブ生成物を粉状材料収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。
More specifically, the method includes the following steps:
S1) Discharge all the air in the system and inject protective gas into the high temperature reaction chamber. Turn on the DC arc gun and form a stable arc with the bottom electrode, then gradually lift the DC arc gun to obtain a specified length of arc flame.
S2) The catalyst is fed into the crucible of the bottom electrode, and the catalyst is evaporated by the action of the arc flame. At the same time, the organic carbon source mixed gas is fed through the mixed gas inlet. The organic carbon source mixed gas forms a spiral upward current and combines with the catalyst microparticles formed by evaporation, and the growth of carbon nanotubes begins.
S3) Using magnetic separation techniques, the cooled carbon nanotubes are concentrated on the inner walls of a collection device.
S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high temperature reaction chamber, open the collection valve, remove the magnetic field, and use the inert gas blowback to blow the concentrated carbon nanotube product into the powder material collection tank to obtain the final product.
さらに、前記S1)における保護ガスは、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスのいずれか一種又はこれらの混合ガスである。 Furthermore, the protective gas in S1) is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas, or a mixture of these gases.
前記直流アークガンのアークスタートガスは、アルゴンガス又はヘリウムガスである。 The arc start gas for the DC arc gun is argon gas or helium gas.
前記直流アークガンの電力は10kWより大きく、電流は50~600Aであり、アークの炎の長さは2~50cmである。 The power of the DC arc gun is greater than 10 kW, the current is 50-600 A, and the arc flame length is 2-50 cm.
さらに、前記S2)における触媒剤は金属触媒剤である。 Furthermore, the catalyst agent in S2) is a metal catalyst agent.
前記金属触媒剤は、鉄、コバルト、及びニッケルのいずれか一種である、又は、鉄、コバルト、若しくはニッケルを含むほかの合金元素を含む。 The metal catalyst is one of iron, cobalt, and nickel, or contains other alloying elements including iron, cobalt, or nickel.
さらに、前記S2)における有機炭素源混合ガスの流量は1~50L/分間である。 Furthermore, the flow rate of the organic carbon source mixed gas in step S2) is 1 to 50 L/min.
前記有機炭素源混合ガスは、有機炭素源ガス、不活性キャリアガス及び水素ガスを
含む。
The organic carbon source mixed gas includes an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and hydrogen gas.
前記有機炭素源ガスの体積%が5~40%であり、水素ガスの体積%が0.1~40%であり、残りは不活性キャリアガスである。 The volume percentage of the organic carbon source gas is 5-40%, the volume percentage of hydrogen gas is 0.1-40%, and the remainder is an inert carrier gas.
前記有機炭素源ガスは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、プロパン、エタノール及びメタノールのうちの一種又は複数種である。 The organic carbon source gas is one or more of methane, ethane, ethylene, acetylene, propylene, propane, ethanol, and methanol.
前記不活性キャリアガスは、窒素ガス、アルゴンガスおよびヘリウムガスのいずれか一種である。 The inert carrier gas is one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas.
さらに、前記S3)において、冷却室において生成物を300℃より低い温度になるまで冷却する。前記S4)における不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス若しくはヘリウムガスのいずれか一種、又は、これらのいずれかの混合ガスである。 Furthermore, in step S3), the product is cooled in a cooling chamber until the temperature is lower than 300°C. The inert gas in step S4) is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas, or a mixture of any of these gases.
本発明の有益な効果
上記の技術的解決手段を用いることによって、本発明の方法の特徴は以下の通りである。
Beneficial Effects of the Invention By using the above technical solutions, the features of the method of the present invention are as follows:
(1)アーク高温で金属触媒剤を蒸発させることによって、非常に細かい触媒剤粒子を得ることができ、その場で熱分解炭素源に迅速に結合する。従来の化学気相成長プロセスおいて加熱中および輸送中に触媒剤粒子が凝集・成長することを回避でき、非常に細かい粒子サイズと高活性触媒剤を維持する効果的な手段である。これによって、高純度で、高収率で、均一な構造の単層カーボンナノチューブを製造する。
(2)触媒剤の蒸発及び化学反応の熱源として、高温アークを用いる。アークの炎の中心部分の温度は、理論上20000℃に達するので単層カーボンナノチューブが大きなポテンシャルバリアを超えて成長しやすくなり、高品質の単層カーボンナノチューブを製造できる。平均ラマンIG/IDは、従来の化学気相成長法と比べてかなり高い。
(3)電磁気の原理を利用し、気体と固体粒子の分離を制御する。単層カーボンナノチューブ生成物における触媒剤の磁性の特性を利用し、石英管壁に吸着させ、濃縮・分離を達成する。単層カーボンナノチューブの付着しやすく凝集しやすい特性に対して、従来の粒子濾過式分離方法によってもたらされる目詰まりの問題を回避することができ、さらに、気体の吹き戻しの方法(ガスブローバック)によって循環運転を実現できる。
(4)磁性気固分離装置の二重システムを交互に使用することによって、システム全体の連続製造及び収集を実現することができる。高効率であり、操作しやすく、システムの信頼性が高い。
(1) By evaporating the metal catalyst at high arc temperatures, very fine catalyst particles can be obtained and rapidly bonded to the pyrolytic carbon source in situ. This is an effective way to maintain very fine particle size and high activity of the catalyst, avoiding the aggregation and growth of catalyst particles during heating and transportation in the conventional chemical vapor deposition process. This allows the production of single-walled carbon nanotubes with high purity, high yield, and uniform structure.
(2) A high-temperature arc is used as a heat source for evaporating the catalyst and for the chemical reaction. The temperature at the center of the arc flame theoretically reaches 20,000°C, which makes it easier for single-walled carbon nanotubes to grow beyond a large potential barrier, making it possible to produce high-quality single-walled carbon nanotubes. The average Raman IG/ID is significantly higher than that of conventional chemical vapor deposition methods.
(3) Using the principle of electromagnetism to control the separation of gas and solid particles. The magnetic properties of the catalyst in the single-walled carbon nanotube product are utilized to adsorb it onto the quartz tube wall, achieving concentration and separation. Due to the tendency of single-walled carbon nanotubes to adhere and aggregate, the clogging problem caused by the conventional particle filtration separation method can be avoided, and the gas blowback method can be used to realize circulation operation.
(4) The dual system of magnetic gas-solid separator can be used alternately to realize continuous production and collection of the entire system, which is highly efficient, easy to operate, and has high system reliability.
以下、図面及び具体的な実施形態と併せて、本発明の技術的解決手段をさらに説明する。 The technical solution of the present invention is further described below in conjunction with drawings and specific embodiments.
図1に示すように、本発明の単層カーボンナノチューブの連続製造システムにおいて、前記カーボンナノチューブの製造装置は、直流アーク炎を発生させ、対電極としての金属触媒剤を蒸発させ、高温熱分解した有機炭素源と結合し、単層カーボンナノチューブの生成を触媒するための前記高温反応室3と、生成した単層カーボンナノチューブを冷却し、冷却された単層カーボンナノチューブを磁気分離法によって分離・濃縮し、気体の吹き戻し(ブローバック)を利用し収集するための前記収集装置と、前記高温反応室と収集装置を補助し、単層カーボンナノチューブの連続製造を完了させるための前記補助ユニット(図示せず)とを含んでいる。
As shown in FIG. 1, in the continuous single-walled carbon nanotube production system of the present invention, the carbon nanotube production apparatus includes the high-
前記高温反応室3と前記収集装置が直列に接続されている。前記補助ユニットは、前記高温反応室3と前記収集装置にそれぞれ接続されている。
The high-
前記補助ユニットは、真空ユニット、ガス流路ユニット、電源ユニット及び供給ユニットを含んでいる。 The auxiliary unit includes a vacuum unit, a gas flow path unit, a power supply unit, and a supply unit.
前記高温反応室3の底部に底部電極が配置されている。前記底部電極に、触媒剤を入れるための坩堝が配置されており、斜めに挿し込まれた前記高温反応室3の内部直流アークガン4は、前記底部電極の鉛直上方に位置している。
A bottom electrode is placed at the bottom of the high-
前記高温反応室3の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられており、高温反応室3の側壁に沿って接線方向に、前記高温反応室3の内部にまで延在する。前記高温反応室3の側壁に、前記有機炭素源混合ガス接続口1が位置する高さは、前記坩堝の高さより高くない。
前記高温反応室3の頂部において直上方向に向かった開口は、配管を介して前記収集装置に接続されている。前記底部電極の斜め上方に位置する、高温反応室3の頂部の一側に、供給接続口5が設けられている。
An organic carbon source mixed
An opening facing directly upward at the top of the high
前記真空ユニットは、気固分離器9の排出ガス出口7に接続されている。前記ガス流路ユニットは、高温反応室3の有機炭素源混合ガス接続口1とキャリアガス入口にそれぞれ接続されている。
The vacuum unit is connected to the
前記電源ユニットは、電力を供給する。 The power supply unit supplies power.
前記供給ユニットは、高温反応室の供給接続口に接続されている。 The supply unit is connected to the supply connection port of the high-temperature reaction chamber.
前記収集装置の数は、1つ又は2つである。 The number of collection devices is one or two.
前記収集装置は、輸送管6、冷却ユニット、気固分離器9及び粉状材料収集タンク11を含んでいる。
The collection device includes a
前記輸送管6の一端は前記高温反応室の頂部に連通しており、他端は三方管を介して前記気固分離器9及び粉状材料収集タンク11にそれぞれ連通している。前記気固分離器9と粉状材料収集タンク11との間に、中間バルブ10が配置されている。前記冷却ユニット13が前記輸送管6に設置されていることによって、冷却ユニットが設置されている輸送管6の内部に冷却室が形成される。
One end of the
前記気固分離器9に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられており、前記吹き戻し(ブローバック)入口は、前記ガス流路ユニットに接続されている。
The gas-
前記高温反応室3は、高温セラミックの内張り部及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成されている。前記内張り部は、鋼玉石又はムル石である。前記高温断熱層は、多孔質セラミック、セラミック繊維フェルト、中空セラミックビーズ、グラファイト又はグラファイトフェルトである。
The high
前記気固分離器9で用いられる分離方法は、電気制御磁気分離方法である。前記気固分離器の磁界豊富領域は、電磁コイルが巻き付けられた複数本の石英管が集束して構成される。
The separation method used in the gas-
上記の単層カーボンナノチューブの連続製造システムを利用して、単層カーボンナノチューブを製造する方法であって、前記方法は、直流アーク炎で発生する高温を利用し、対電極としての金属触媒剤を蒸発させ、触媒剤微小粒子を形成し、高温熱分解した有機炭素源と結合し、単層カーボンナノチューブの生成を触媒し、冷却する。冷却後、磁気分離法によって、得られた単層カーボンナノチューブ粉体を濃縮分離し、最終的に、気固分離器を気体で吹き戻し(ブローバックし)、高純度で、高収率で、均一な構造の単層カーボンナノチューブを得る。 A method for producing single-walled carbon nanotubes using the above-mentioned continuous single-walled carbon nanotube production system, in which the method utilizes the high temperature generated by the DC arc flame to evaporate the metal catalyst agent as a counter electrode, form catalyst agent microparticles, combine with the high-temperature pyrolyzed organic carbon source, catalyze the production of single-walled carbon nanotubes, and cool. After cooling, the resulting single-walled carbon nanotube powder is concentrated and separated by a magnetic separation method, and finally, the gas-solid separator is blown back with gas to obtain single-walled carbon nanotubes with high purity, high yield, and uniform structure.
前記方法は、具体的に、以下の工程を含む。 Specifically, the method includes the following steps:
S1)システム内の空気を全て排出し、高温反応室に保護ガスを注入する。直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、直流アークガンを徐々に持ち上げ、指定長さのアーク炎を得る。
S2)触媒剤を底部電極の坩堝内に供給し、アーク炎の作用によって触媒剤が蒸発し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。有機炭素源混合ガスが螺旋状の上昇気流を形成し、蒸発によって形成された触媒剤微小粒子に結合し、カーボンナノチューブの成長が始まる。
S3)磁気分離技術を用いて、冷却されたカーボンナノチューブを収集装置の内壁上に凝縮させる。
S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスの吹き戻し(ブローバック)を利用し、凝縮されたカーボンナノチューブ生成物を粉状材料収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。
S1) Discharge all the air in the system and inject protective gas into the high temperature reaction chamber. Turn on the DC arc gun and form a stable arc with the bottom electrode, then gradually lift the DC arc gun to obtain a specified length of arc flame.
S2) The catalyst is fed into the crucible of the bottom electrode, and the catalyst is evaporated by the action of the arc flame. At the same time, the organic carbon source mixed gas is fed through the mixed gas inlet. The organic carbon source mixed gas forms a spiral upward current and combines with the catalyst microparticles formed by evaporation, and the growth of carbon nanotubes begins.
S3) Using magnetic separation techniques, the cooled carbon nanotubes are condensed onto the inner walls of a collection device.
S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high temperature reaction chamber, open the collection valve, remove the magnetic field, and use the inert gas blowback to blow the condensed carbon nanotube product into the powder material collection tank to obtain the final product.
さらに、前記S1)における保護ガスは、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスのいずれか一種又はこれらの混合ガスである。 Furthermore, the protective gas in S1) is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas, or a mixture of these gases.
前記直流アークガンのアークスタートガスは、アルゴンガス又はヘリウムガスである。 The arc start gas for the DC arc gun is argon gas or helium gas.
前記直流アークガンの電力は10kWより大きく、電流は50~600Aであり、アークの炎の長さは2~50cmである。 The power of the DC arc gun is greater than 10 kW, the current is 50-600 A, and the arc flame length is 2-50 cm.
さらに、前記S2)における触媒剤は金属触媒剤である。 Furthermore, the catalyst agent in S2) is a metal catalyst agent.
前記金属触媒剤は、鉄、コバルト、及びニッケルのいずれか一種である、又は、鉄、コバルト、若しくはニッケルを含むほかの合金元素を含む。 The metal catalyst is one of iron, cobalt, and nickel, or contains other alloying elements including iron, cobalt, or nickel.
前記S2)における有機炭素源混合ガスの流量は1~50L/分間である。 The flow rate of the organic carbon source mixed gas in step S2) is 1 to 50 L/min.
前記有機炭素源混合ガスは、有機炭素源ガス、不活性キャリアガス及び水素ガスを含む。 The organic carbon source mixed gas includes an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and hydrogen gas.
前記有機炭素源ガスの体積%が5~40%であり、水素ガスの体積%が0.1~40%であり、残りは不活性キャリアガスである。 The volume percentage of the organic carbon source gas is 5-40%, the volume percentage of hydrogen gas is 0.1-40%, and the remainder is an inert carrier gas.
前記有機炭素源ガスは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、プロパン、エタノール、および、メタノールのうちの一種又は複数種である。 The organic carbon source gas is one or more of methane, ethane, ethylene, acetylene, propylene, propane, ethanol, and methanol.
前記不活性キャリアガスは、窒素ガス、アルゴンガスおよびヘリウムガスのいずれか一種である。 The inert carrier gas is one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas.
前記S3)において、冷却室で生成物を300℃より低い温度まで冷却する。前記S4)における不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスのいずれか一種、又は、これらのいずれかの混合ガスである。 In step S3), the product is cooled in a cooling chamber to a temperature lower than 300°C. The inert gas in step S4 is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas, or a mixture of any of these gases.
前記有機炭素源混合ガス接続口は、前記高温反応室の底部に配置されてもよい。前記有機炭素源混合ガス接続口は、図2に示すように、前記底部電極及び坩堝2の一側に位置する。
The organic carbon source mixed gas connection port may be located at the bottom of the high-temperature reaction chamber. The organic carbon source mixed gas connection port is located on one side of the bottom electrode and
前記坩堝の材質はグラファイトである。 The crucible is made of graphite.
前記冷却ユニットは水冷機である。 The cooling unit is a water-cooled machine.
<実施形態1>
単一収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図1に示すように、高温反応室3、冷却室及び気固分離器9が直列に接続されることによって構成されており、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はコランダム(鋼玉石)からなる。高温反応室の底部に底部電極が配置されており、触媒剤を入れるための、グラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極に対して正対している。高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、有機炭素源混合ガスが螺旋状の上昇気流を形成し、蒸発することにより形成された触媒剤の微粒子に確実に結合する。高温反応器には、斜め上方の位置に、供給接続口5が設けられていることにより、上端から供給された触媒剤が底部電極上に、確実に、直接落下する。気固分離器9は、2つの部分に分かれている。1つは磁界豊富領域であり、もう1つは粉状材料収集タンク11であり、これらは中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
<
The continuous single-walled carbon nanotube production system using the single collection system is configured by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、10kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流200A、電圧50Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ30センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄である触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝内に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源ガスを入れる。ここで、有機炭素源混合ガスは、45%のメタン、50%のヘリウムガス、及び5%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁気分離器の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に濃縮させる。S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスであるアルゴンガスを用いて石英管内を吹き戻しし(ブローバックし)、濃縮されたカーボンナノチューブ生成物を収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。 Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 10 kW, and form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 200 A and a voltage of 50 V to obtain an arc flame with a length of 30 cm. S2) Feed the catalyst agent, which is iron, into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, put in the organic carbon source gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 45% methane, 50% helium gas, and 5% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic separator, and use magnetic separation technology to concentrate the carbon nanotubes cooled in the cooling chamber on the inner wall of the quartz tube. S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high-temperature reaction chamber, open the collection valve, and remove the magnetic field. The quartz tube is blown back using argon gas, an inert gas, and the concentrated carbon nanotube product is blown into a collection tank to obtain the final product.
生成物の表徴得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である図4に示すように、生成物は純粋で、管束が細長く真っ直ぐである。透過型電子顕微鏡写真を示す図5に示すように、遊離した単一のカーボンナノチューブから、生成物は単層カーボンナノチューブであることがわかる。ラマンスペクトル曲線図を示す図6に示すように、励起波長は532nmであり、生成物は、明らかなRBMピーク(radial breathing mode peak)を有しており、且つ比較的高いG/D比の値を有し、IG/ID=52である。 Product characteristics As shown in Figure 4, which is a scanning electron microscope photograph of the obtained product, the product is pure and the tube bundle is elongated and straight. As shown in Figure 5, which shows a transmission electron microscope photograph, it can be seen that the product is a single-walled carbon nanotube from the isolated single carbon nanotube. As shown in Figure 6, which shows the Raman spectrum curve, the excitation wavelength is 532 nm, and the product has a clear RBM peak (radial breathing mode peak) and a relatively high G/D ratio value, IG/ID = 52.
<実施形態2>
二重収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図2に示すように、高温反応室3と収集装置が直列接続されることにより構成され、高温バルブ12によって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室3の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はムル石からなる。高温反応室の底部に底部電極が配置され、触媒剤を入れるための、グラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極及び坩堝2に対して正対している。高温反応室3の底部に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが底部から高温反応室に確実に進入する。高温反応室には、斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から供給される触媒剤が、確実に、底部電極に直接落下する。輸送管6と高温反応室3に、2つの高温バルブ12がそれぞれ配置されている。2つの気固分離器9は、2つの部分に分けられている。1つが磁界豊富領域であり、もう1つが粉状材料収集タンク11であり、2つの中間バルブ10によってそれぞれ接続されている。各磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
<
The continuous production system for single-walled carbon nanotubes using a dual collection system is constructed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、100kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流500A、電圧200Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ50センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝内に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを供給する。ここで、有機炭素源混合ガスは、5%のエチレン、85%のアルゴンガス、及び10%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に凝縮させる。S4)一定の時間反応させた後、高温バルブ12を閉じ、中間バルブ10を開き、これと同時に、磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、継続して生成物を収集する。S5)排出ガス出口7を閉じ、中間バルブ10を開き、気固分離器9の電磁界を取り除く。吹き戻し(ブローバック)入口8からアルゴンガスを供給し、生成物を粉状材料収集タンク11に吹き込み、最終生成物を得る。S6)2つの気固分離器9を循環して繰り返し利用し、収集する。そして、供給システムを利用し、供給接続口5から触媒剤を高温反応室に補充し、連続的なノンストップ生産を実現する。
Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 100 kW, and form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 500 A and a voltage of 200 V to obtain an arc flame with a length of 50 cm. S2) Feed the iron catalyst agent into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 5% ethylene, 85% argon gas, and 10% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic gas-
生成物の表徴得られた生成物の走査型電子顕微鏡写真である図6に示すように、生成物が純粋で、管束が細長く真っ直ぐである。透過型電子顕微鏡写真である図7に示すように、遊離した単一のカーボンナノチューブから、生成物は単層カーボンナノチューブであることがわかる。ラマンスペクトル曲線図である図8に示すように、励起波長は532nmであり、生成物は、明らかなRBMピーク(radial breathing mode peak)を有しており、且つ比較的高いG/D比の値を有し、IG/ID=61である。 Product characteristics As shown in the scanning electron microscope photograph of the obtained product in FIG. 6, the product is pure and the tube bundle is elongated and straight. As shown in the transmission electron microscope photograph in FIG. 7, the product is found to be single-walled carbon nanotubes from the isolated single carbon nanotube. As shown in the Raman spectrum curve diagram in FIG. 8, the excitation wavelength is 532 nm, and the product has a clear RBM peak (radial breathing mode peak) and a relatively high G/D ratio value, IG/ID=61.
<実施形態3>
単一収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図1に示すように、高温反応室3及び気固分離器9が直列に接続されることによって形成されており、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はコランダム(鋼玉石)からなる。高温反応室の底部に底部電極が配置されており、触媒剤を入れるための、グラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極に対して正対している。高温反応室の底部に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが側壁から高温反応室に確実に進入する。高温反応器には、斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から供給される触媒剤が底部電極に確実に直接落下する。気固分離器9は、2つの部分に分けられている。1つが磁界豊富領域であり、もう1つが粉状材料収集タンク11であり、これらは中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous production system of single-walled carbon nanotubes using a single collection system is formed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、電力17.5kWの直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成させ、電流250A、電圧70Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ35センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒を底部電極のグラファイト坩堝内に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを供給する。ここで、有機炭素源混合ガスは、30%のアセチレン、55%のアルゴンガス、及び15%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁気分離器の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に濃縮させる。S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスであるアルゴンガスを用いて石英管内を吹き戻しし(ブローバックし)、濃縮されたカーボンナノチューブ生成物を収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。 Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 17.5 kW, form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode at a current of 250 A and a voltage of 70 V to obtain an arc flame with a length of 35 cm. S2) Feed the iron catalyst into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 30% acetylene, 55% argon gas, and 15% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic separator, and use magnetic separation technology to concentrate the carbon nanotubes cooled in the cooling chamber on the inner wall of the quartz tube. S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high-temperature reaction chamber, open the collection valve, and remove the magnetic field. The quartz tube is blown back using argon gas, an inert gas, and the concentrated carbon nanotube product is blown into a collection tank to obtain the final product.
<実施形態4>
二重収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図3に示すように、高温反応室3と2組の収集装置が直列に接続されることにより構成され、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体から構成され、内壁はムル石からなる。高温反応室の底部に底部電極及び坩堝2が配置されており、底部電極は触媒剤を入れるためのグラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極及び坩堝2に対して正対している。高温反応室3の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが側壁から高温反応室3に確実に進入する。高温反応器3の斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から供給される触媒剤が確実に底部電極に直接落下する。2つの輸送管6が高温反応室3に接続されており、2つの輸送管6に高温バルブ12がそれぞれ配置されている。2つの気固分離器9は、それぞれ、磁界豊富領域と粉状材料収集タンク11とを含み、磁界豊富領域と粉状材料収集タンク11が中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き返し入口8が設けられている。
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The continuous production system for single-walled carbon nanotubes using a dual collection system is constructed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、120kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成させ、電流600A、電圧200Vで電極を徐々に持ち上げ、長さ47センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。ここで、有機炭素源混合ガスは、10%のエタノール、75%のヘリウムガス、及び15%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に凝縮させる。S4)一定の時間反応させた後、高温バルブ12を閉じ、中間バルブ10を開き、これと同時に、磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、継続して生成物を収集する。S5)排出ガス出口7を閉め、吹き戻し(ブローバック)バルブを開き、気固分離器9の電磁界を取り除く。吹き戻し(ブローバック)入口8からアルゴンガスを入れ、生成物を粉状材料収集タンク11に吹き込み、最終生成物を得る。S6)気固分離器9を循環して繰り返し利用し、収集する。そして、供給システムを利用し、供給接続口5から触媒剤を高温反応室に補充し、連続的なノンストップ生産を実現する。
Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 120 kW, form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 600 A and a voltage of 200 V to obtain an arc flame with a length of 47 cm. S2) Feed the iron catalyst agent into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 10% ethanol, 75% helium gas, and 15% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic gas-
<実施形態5>
単一収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図2に示すように、高温反応室3、冷却室及び気固分離器9が直列に接続されることによって構成されており、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はコランダム(鋼玉石)からなる。高温反応室の底部に底部電極が配置されており、触媒剤を入れるための、グラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極に対して正対している。高温反応室の底部に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが底部から高温反応室に確実に進入する。高温反応器において、斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から送り込まれる触媒剤が確実に底部電極に直接落下する。気固分離器9は、2つの部分に分かれている。1つが磁界豊富領域であり、もう1つが粉状材料収集タンク11であり、これらは中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous single-walled carbon nanotube production system using a single collection system is configured by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、48kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成させ、電流400A、電圧120Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ40センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。ここで、有機炭素源混合ガスは、38%のメタン、2%のエチレン、40%のアルゴンガス、及び20%の水素ガスからなる。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁気分離器の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に濃縮させる。S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスであるアルゴンガスを用いて石英管内を吹き戻しし(ブローバックし)、濃縮されたカーボンナノチューブ生成物を収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。 Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 48 kW, form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 400 A and a voltage of 120 V to obtain an arc flame with a length of 40 cm. S2) Feed the iron catalyst agent into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas consists of 38% methane, 2% ethylene, 40% argon gas, and 20% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic separator, and use magnetic separation technology to concentrate the carbon nanotubes cooled in the cooling chamber on the inner wall of the quartz tube. S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high-temperature reaction chamber, open the collection valve, and remove the magnetic field. The quartz tube is blown back using argon gas, an inert gas, and the concentrated carbon nanotube product is blown into a collection tank to obtain the final product.
<実施形態6>
二重収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図3に示すように、高温反応室3と2つの収集装置が直列に接続されることにより構成され、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体から構成され、内壁はムル石からなる。高温反応室の底部に底部電極及び坩堝2が配置されており、触媒剤を入れるための、グラファイト製の坩堝を備えている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極及び坩堝2に対して正対している。高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが底部から高温反応室に確実に進入する。高温反応器において、斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から送り込まれる触媒剤が確実に底部電極に直接落下する。2つの輸送管6が高温反応室3に接続されており、2つの輸送管6にそれぞれ高温バルブ12が配置されている。2つの気固分離器9はいずれも磁界豊富領域を有し、1つの部分が粉状材料収集タンク11であり、それぞれが中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous production system for single-walled carbon nanotubes using a dual collection system is constructed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、90kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流500A、電圧180Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ46センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒を底部電極のグラファイト坩堝に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを供給する。ここで、有機炭素源混合ガスは、25%のプロパン、55%のヘリウムガス、及び20%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に凝縮させる。S4)一定の時間反応させた後、高温バルブ12を閉じ、中間バルブ10を開き、これと同時に、磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、継続して生成物を収集する。S5)排出ガス出口7を閉め、吹き戻し(ブローバック)バルブを開き、気固分離器9の電磁界を取り除く。吹き戻し(ブローバック)入口8からアルゴンガスを入れ、生成物を粉状材料収集タンク11に吹き込み、最終生成物を得る。S6)気固分離器9を循環して繰り返し利用し、収集する。そして、供給システムを利用し、供給接続口5から触媒剤を高温反応室に補充し、連続的なノンストップ生産を実現する。
Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 90 kW, and form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 500 A and a voltage of 180 V to obtain an arc flame with a length of 46 cm. S2) Feed the iron catalyst into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 25% propane, 55% helium gas, and 20% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic gas-
<実施形態7>
単一収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図1に示すように、高温反応室3及び収集装置が直列に接続されることによって構成され、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はコランダム(鋼玉石)からなる。高温反応室の底部に底部電極及び坩堝2が配置されている。坩堝は、触媒剤を入れるのに用いられ、グラファイト製である。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極に対して正対している。高温反応室の底部に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが底部から高温反応室に確実に進入する。高温反応器の斜め上方に、供給接続口5が設けられており、上端から供給される触媒剤が確実に底部電極に直接落下する。気固分離器9は、2つの部分に分かれている。1つが磁界豊富領域であり、もう1つが粉状材料収集タンク11であり、これらは中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous production system of single-walled carbon nanotubes using a single collection system is constructed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、80kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流450A、電圧150Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ43センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。ここで、有機炭素源混合ガスは、20%のエタン、5%のプロピレン、50%のヘリウムガス、及び25%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁気分離器の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に濃縮させる。S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除く。不活性ガスであるアルゴンガスを用いて石英管内を吹き戻しし(ブローバックし)、濃縮されたカーボンナノチューブ生成物を収集タンクに吹き込み、最終生成物を得る。 Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 80 kW, and form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode at a current of 450 A and a voltage of 150 V to obtain an arc flame with a length of 43 cm. S2) Feed the iron catalyst agent into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 20% ethane, 5% propylene, 50% helium gas, and 25% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic separator, and use magnetic separation technology to concentrate the carbon nanotubes cooled in the cooling chamber on the inner wall of the quartz tube. S4) After the reaction is completed, close the exhaust port of the high-temperature reaction chamber, open the collection valve, and remove the magnetic field. The quartz tube is blown back using argon gas, an inert gas, and the concentrated carbon nanotube product is blown into a collection tank to obtain the final product.
<実施形態8>
二重収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図3に示すように、高温反応室3と2つの収集装置が直列に接続されることにより構成され、高温バルブ12によって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室3の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体で構成され、内壁はムル石からなる。高温反応室3の底部に底部電極及び坩堝2が配置されており、グラファイト製の坩堝に触媒剤が入れられている。高温反応室に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極及び坩堝2に対して正対している。高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが側壁から高温反応室3に螺旋状に確実に進入する。高温反応器の斜め上方に、供給接続口5が設けられており、上端から供給される触媒剤が確実に底部電極に直接落下する。2つの輸送管6が高温反応室3に接続されており、2つの輸送管6にそれぞれ高温バルブ12が配置されている。気固分離器9は、磁界富加領域に分けられ、1つの部分が粉状材料収集タンク11であり、中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous production system for single-walled carbon nanotubes using a dual collection system is constructed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、50kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流400A、電圧120Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ38センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒を底部電極のグラファイト坩堝内に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを供給する。ここで、有機炭素源混合ガスは、30%のアセチレン、55%のアルゴンガス、及び15%の水素ガスである。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に凝縮させる。S4)一定の時間反応させた後、高温バルブ12を閉め、中間バルブ10を開き、これと同時に、磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、継続して生成物を収集する。S5)排出ガス出口7を閉め、吹き戻し(ブローバック)バルブを開き、気固分離器9の電磁界を取り除く。吹き戻し(ブローバック)入口8からアルゴンガスを入れ、生成物を粉状材料収集タンク11に吹き込み、最終生成物を得る。S6)気固分離器9を循環して繰り返し利用し、収集する。そして、供給システムを利用し、供給接続口5から触媒剤を高温反応室に補充し、連続的なノンストップ生産を実現する。
Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 50 kW, form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode at a current of 400 A and a voltage of 120 V to obtain an arc flame with a length of 38 cm. S2) Feed the iron catalyst into the graphite crucible of the bottom electrode by the feeding system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas is 30% acetylene, 55% argon gas, and 15% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic gas-
<実施形態9>
二重収集システムを利用した単層カーボンナノチューブの連続製造システムは、概略図である図3に示すように、高温反応室3と収集装置が直列に接続されることにより形成され、バルブによって制御される。さらに、補助システムは、真空、ガス流路、制御、冷却及び供給システムなどを含んでいる。高温反応室の外層は、内張り部であるグラファイト及び高温断熱層を含む二重水冷ステンレス鋼筐体から構成され、内壁はムル石からなる。高温反応室の側壁に底部電極及び坩堝2が配置されており、グラファイト製の坩堝に触媒剤が入れられている。高温反応室3に斜めに挿し込まれたアークガンは、底部電極及び坩堝2に対して正対している。高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口1が設けられていることによって、反応ガスが底部から高温反応室に確実に進入する。高温反応器において斜め上部に、供給接続口5が設けられており、上端から送り込まれる触媒剤が底部電極に直接落下することを保証する。輸送管6と高温反応室3に、高温バルブ12がそれぞれ配置されている。気固分離器は、2つの部分に分けられている。1つが磁界豊富領域であり、もう1つが粉状材料収集タンク11であり、中間バルブ10によって接続されている。磁界豊富領域に、排出ガス出口7と吹き戻し(ブローバック)入口8が設けられている。
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The continuous production system of single-walled carbon nanotubes using a double collection system is formed by connecting a high-
製造工程S1)真空システムをオンにし、システム全体の空気を全て排出し、アルゴン保護ガスを注入する。その後、100kWの電力の直流アークガンをオンにし、底部電極と共に安定したアークを形成し、電流500A、電圧200Vで、電極を徐々に持ち上げ、長さ50センチのアーク炎を得る。S2)供給システムによって鉄の触媒剤を底部電極のグラファイト坩堝に供給し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れる。ここで、有機炭素源混合ガスは、40%のメタン、2%のエチレン、3%のエタノール、40%のアルゴンガス、及び15%の水素ガスからなる。カーボンナノチューブの成長が始まる。S3)磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、磁気分離技術を用いて、冷却室で冷却されたカーボンナノチューブを石英管の内壁に凝縮させる。S4)一定の時間反応させた後、高温バルブ12を閉じ、左の高温バルブ12を開き、これと同時に、磁界気固分離器9の電磁界をオンにし、継続して生成物を収集する。S5)排出ガス出口7を閉め、中間バルブ10を開き、気固分離器9の電磁界を取り除く。吹き戻し(ブローバック)入口8からアルゴンガスを入れ、生成物を粉状材料収集タンク11に吹き込み、最終生成物を得る。S6)気固分離器9を循環して繰り返し利用し、収集する。そして、供給システムを利用し、供給接続口15から触媒剤を高温反応室に補充し、連続的なノンストップ生産を実現する。
Manufacturing process S1) Turn on the vacuum system, exhaust all the air in the entire system, and inject argon protective gas. Then, turn on the DC arc gun with a power of 100 kW, form a stable arc with the bottom electrode, and gradually lift the electrode with a current of 500 A and a voltage of 200 V to obtain an arc flame with a length of 50 cm. S2) Feed the iron catalyst agent into the graphite crucible of the bottom electrode by the supply system, and at the same time, feed the organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet. Here, the organic carbon source mixed gas consists of 40% methane, 2% ethylene, 3% ethanol, 40% argon gas, and 15% hydrogen gas. The growth of carbon nanotubes begins. S3) Turn on the electromagnetic field of the magnetic gas-
以上の内容は、本発明の技術的思想を説明するためのものであって、これによって本発明の保護範囲を限定することができない。本発明の技術的思想に基づいて、技術的解決手段をもとになし得た変更は、いずれも本発明の特許請求の範囲の保護範囲に含まれる。 The above content is intended to explain the technical concept of the present invention, and does not limit the scope of protection of the present invention. Any modifications that can be made based on the technical solution means in accordance with the technical concept of the present invention are included in the scope of protection of the claims of the present invention.
1:有機炭素源混合ガス入口
2:底部電極及び坩堝
3:高温反応室
4:直流アークガン
5:供給接続口
6:輸送管
7:排出ガス出口
8:吹き戻し(ブローバック)入口
9:気固分離器
10:中間バルブ
11:粉状材料収集タンク
12:高温バルブ
13:冷却ユニット
1: Organic carbon source mixed gas inlet 2: Bottom electrode and crucible 3: High temperature reaction chamber 4: DC arc gun 5: Supply connection port 6: Transport pipe 7: Exhaust gas outlet 8: Blowback inlet 9: Gas-solid separator 10: Intermediate valve 11: Powdered material collection tank 12: High temperature valve 13: Cooling unit
Claims (10)
直流アーク炎を発生させ、対電極としての金属触媒剤を蒸発させ、高温熱分解した有機炭素源と結合し、単層カーボンナノチューブの生成を触媒するための高温反応室と、
生成した単層カーボンナノチューブを冷却し、冷却された単層カーボンナノチューブを磁気分離法によって分離・濃縮し、気体の吹き戻しを利用し収集するための収集装置と、
前記高温反応室と収集装置を補助し、単層カーボンナノチューブの連続製造を完了させるための補助ユニットとを含んでおり、
前記高温反応室と前記収集装置が直列に接続されており、前記補助ユニットは、前記高温反応室と前記収集装置のそれぞれに接続されていることを特徴とする単層カーボンナノチューブの連続製造システム。 A continuous production system for single-walled carbon nanotubes, comprising:
a high-temperature reaction chamber for generating a direct current arc flame, evaporating a metal catalyst agent as a counter electrode, and combining with the high-temperature pyrolyzed organic carbon source to catalyze the production of single-walled carbon nanotubes;
a collecting device for cooling the produced single-walled carbon nanotubes, separating and concentrating the cooled single-walled carbon nanotubes by a magnetic separation method, and collecting the single-walled carbon nanotubes by using a gas blowback;
and an auxiliary unit for assisting the high temperature reaction chamber and the collection device to complete the continuous production of single-walled carbon nanotubes;
A continuous production system for single-walled carbon nanotubes, characterized in that the high-temperature reaction chamber and the collection device are connected in series, and the auxiliary unit is connected to each of the high-temperature reaction chamber and the collection device.
前記補助ユニットは、真空ユニット、ガス流路ユニット、電源ユニット及び供給ユニットを含んでおり、
前記高温反応室の底部に底部電極が配置されており、前記底部電極に、触媒剤を入れるための坩堝が配置されており、斜めに挿し込まれた前記高温反応室の内部アークガンは、前記底部電極の鉛直上方に位置しており、
前記高温反応室の側壁に有機炭素源混合ガス接続口が設けられており、高温反応室の側壁に沿って接線方向に、前記高温反応室の内部にまで延在し、前記高温反応室の側壁に前記有機炭素源混合ガス接続口が位置する高さは、前記坩堝の高さより高くなく、
前記高温反応室の頂部において直上方向に向いた開口は、配管を介して前記収集装置に接続されており、前記底部電極の斜め上方に位置する、高温反応室の頂部の一側に、供給接続口が設けられており、
前記真空ユニットは、気固分離器の排出ガス出口に接続されており、前記ガス流路ユニットは、高温反応室の有機炭素源混合ガス接続口とキャリアガス入口のそれぞれに接続されており、
前記電源ユニットは、電力を供給し、
前記供給ユニットは、高温反応室の供給接続口に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の単層カーボンナノチューブの連続製造システム。 A system for continuously producing single-walled carbon nanotubes, comprising:
The auxiliary unit includes a vacuum unit, a gas flow passage unit, a power supply unit, and a supply unit;
A bottom electrode is disposed at the bottom of the high-temperature reaction chamber, a crucible for placing a catalytic agent is disposed on the bottom electrode, and an internal arc gun inserted obliquely into the high-temperature reaction chamber is positioned vertically above the bottom electrode;
an organic carbon source mixed gas connection port is provided on a side wall of the high-temperature reaction chamber, and extends tangentially along the side wall of the high-temperature reaction chamber to the inside of the high-temperature reaction chamber, and the height at which the organic carbon source mixed gas connection port is located on the side wall of the high-temperature reaction chamber is not higher than the height of the crucible;
The opening facing directly upward at the top of the high temperature reaction chamber is connected to the collector via a pipe, and a supply connection port is provided on one side of the top of the high temperature reaction chamber, which is located diagonally above the bottom electrode;
The vacuum unit is connected to an exhaust gas outlet of the gas-solid separator, and the gas flow passage unit is connected to an organic carbon source mixed gas connection port and a carrier gas inlet of a high-temperature reaction chamber, respectively;
The power supply unit supplies power;
2. The system for continuously producing single-walled carbon nanotubes according to claim 1, wherein the supply unit is connected to a supply connection port of a high-temperature reaction chamber.
前記収集装置は、輸送管、冷却ユニット、気固分離器及び粉状材料収集タンクを含んでおり、
前記輸送管の一端は前記高温反応室の頂部に連通しており、他端は三方管を介して前記気固分離器及び粉状材料収集タンクにそれぞれ連通しており、前記気固分離器と粉状材料収集タンクとの間に、中間バルブが配置されており、前記冷却ユニットが前記輸送管に設置されていることによって、冷却ユニットが設置された輸送管の内部に冷却室が形成されており、
前記気固分離器に、排出ガス出口と吹き戻し入口が設けられており、前記吹き戻し入口は、前記ガス流路ユニットに接続されている、ことを特徴とする請求項2に記載の単層カーボンナノチューブの連続製造システム。 The number of the collection devices is one or two;
The collection device includes a transport pipe, a cooling unit, a gas-solid separator, and a powder material collection tank;
One end of the transport pipe is connected to the top of the high temperature reaction chamber, and the other end is connected to the gas-solid separator and the powder material collection tank through a three-way pipe, and an intermediate valve is disposed between the gas-solid separator and the powder material collection tank. The cooling unit is installed in the transport pipe, so that a cooling chamber is formed inside the transport pipe in which the cooling unit is installed.
3. The continuous production system for single-walled carbon nanotubes according to claim 2, characterized in that the gas-solid separator is provided with an exhaust gas outlet and a blowback inlet, and the blowback inlet is connected to the gas flow path unit.
S2)触媒剤を底部電極の坩堝に供給し、アーク炎の作用によって触媒剤が蒸発し、これと同時に、混合ガス入口から有機炭素源混合ガスを入れ、有機炭素源混合ガスが螺旋状の上昇気流を形成し、蒸発によって形成された触媒剤微小粒子と結合し、カーボンナノチューブの成長が始まることと、
S3)磁気分離技術を用いて、冷却されたカーボンナノチューブを収集装置の内壁に凝縮させることと、
S4)反応終了後、高温反応室の排出口を閉じ、収集バルブを開き、磁界を取り除き、不活性ガスの吹き戻しを利用し、凝縮されたカーボンナノチューブ生成物を粉状材料収集タンクに吹き込み、最終生成物を得ることとを含む、ことを特徴とする請求項5に記載の単層カーボンナノチューブの連続製造システム。 S1) Discharge all the air in the system, inject protective gas into the high temperature reaction chamber, turn on the DC arc gun, form a stable arc with the bottom electrode, gradually lift the DC arc gun to obtain a specified length of arc flame;
S2) supplying a catalytic agent into the crucible of the bottom electrode, and evaporating the catalytic agent by the action of the arc flame; at the same time, feeding an organic carbon source mixed gas from the mixed gas inlet, the organic carbon source mixed gas forms a spiral upward air current, and combines with the catalytic agent microparticles formed by evaporation, and carbon nanotube growth begins;
S3) Condensing the cooled carbon nanotubes onto the inner wall of a collection device using a magnetic separation technique;
S4) after the reaction is completed, closing the exhaust port of the high-temperature reaction chamber, opening the collection valve, removing the magnetic field, and using the inert gas blowback to blow the condensed carbon nanotube product into a powder material collection tank to obtain the final product.
前記直流アークガンのアークスタートガスは、アルゴンガス又はヘリウムガスであり、
前記直流アークガンの電力が10kWより大きく、電流が50~600Aであり、アークの炎の長さが2~50cmである、ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 The protective gas in S1) is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas, or a mixture thereof;
The arc start gas of the DC arc gun is argon gas or helium gas,
8. The method according to claim 7, wherein the power of the DC arc gun is greater than 10 kW, the current is 50-600 A, and the flame length of the arc is 2-50 cm.
前記金属触媒剤は、鉄、コバルト、及びニッケルのいずれか一種であり、又は、鉄、コバルト、若しくはニッケルを含むほかの合金元素を含み、
前記S2)における有機炭素源混合ガスの流量は1~50L/分間であり、
前記有機炭素源混合ガスは、有機炭素源ガス、不活性キャリアガス及び水素ガスを含み、
前記有機炭素源ガスの体積%が5~40%であり、水素ガスの体積%が0.1~40%であり、残りは不活性キャリアガスであり、
前記有機炭素源ガスは、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、プロパン、エタノール、及びメタノールのうちの一種又は複数種であり、
前記不活性キャリアガスは、窒素ガス、アルゴンガス及びヘリウムガスのいずれか一種である、ことを特徴とする請求項7に記載の方法。 The catalyst in S2) is a metal catalyst;
The metal catalyst is any one of iron, cobalt, and nickel, or contains other alloy elements including iron, cobalt, or nickel;
The flow rate of the organic carbon source mixed gas in the step S2) is 1 to 50 L/min;
The organic carbon source mixed gas comprises an organic carbon source gas, an inert carrier gas, and a hydrogen gas;
the volume percent of said organic carbon source gas is between 5 and 40%, the volume percent of hydrogen gas is between 0.1 and 40%, and the remainder is an inert carrier gas;
the organic carbon source gas is one or more of methane, ethane, ethylene, acetylene, propylene, propane, ethanol, and methanol;
8. The method according to claim 7, wherein the inert carrier gas is any one of nitrogen gas, argon gas, and helium gas.
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