合成碳纳米管的装置及方法

专利名称：合成碳纳米管的装置及方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种合成碳纳米管的装置及方法。更具体地说，本发 明的实施例涉及一种在高温下合成碳纳米管的装置及方法。
背景技术：
碳纳米管(CNT)，是碳的一种同素异形体，它包括结合形成蜂窝结构或 六角棱柱体结构的碳原子。碳纳米管的直径一般为几纳米(nm)。碳纳米管具 有诸如良好的机械性能、电选择性、场致发射特性、高效贮氢媒介特性等优点。 因此，碳纳米管可广泛应用于各种工业领域，如航空航天工业、生物工艺学、 环境工程、材料科学、医药领域、电子工业等。
为了合成碳纳米管，现己开发出了放电法、等离子化学气相沉积(CVD) 法、热CVD法或热分解法。近来，热CVD法及热分解法已可在商业上适用于大 规模生产。
图1是示出合成碳纳米管常规装置的剖视图。
参照图l，合成碳纳米管的常规装置包括反应室10、加热器20、外围设备 30、备用室60及传送部70。
反应室10为圆柱形。此外，反应室10具有相对于地面水平设置的长轴。
加热器20围绕反应室10设置，以加热反应室10。加热器20例如包括围 绕该反应室10的加热线圈。加热器20将反应室温度加热至约l，OO(TC。
尽管图1中未予示出，但反应室10具有这样一种结构，g卩，通过第一侧 接收气体，并且通过与第一侧方向相反的第二侧排出气体。当所述气体供给到 由加热器20加热的反应室10中之时，碳纳米管在装于反应室10内的基板220 上合成。
备用室60设在邻近反应室10的第一侧旁。传送部70将基板220从备用 室60传送至反应室10，或者将其上已生成有碳纳米管的基板220从反应室10 传送至备用室60。
外围设备30设在邻近备用室60旁。外围设备30包括用于将其上已生成
4有碳纳米管的基板220从备用室60回收的回收部，将催化剂用到从备用室60 装入反应室10的基板220上的催化剂涂抹器。
合成碳纳米管的装置示于图1，多块基板堆叠在反应室10中。随着反应室 10的尺寸增大，传送部70的一次处理量也增加，这样传送部70可能下垂(sag)。 此外，当碳纳米管在该基板上合成过量，或其上己生成有碳纳米管的基板由传 送部70传送至备用室60的时候，碳纳米管有可能撒落到反应室10的底部。 因此，需要另外增加工艺及时间来清洁反应室，以防止装置发生故障，因此会 造成生产率下降。

发明内容
本发明的实施例提供一种合成碳纳米管(CNT)的装置，它能易化碳纳米 管的回收，提高反应室管理功效，以及增加碳纳米管的生产率。
本发明的实施例还提供一种使用该装置合成碳纳米管的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种合成碳纳米管的装置，它包括反应室、 承载料盒、传送部、加热器、供气部及排气部。所述碳纳米管是在所述反应室 中合成的。所述反应室具有基本垂直的长轴。所述承载料盒承载多块基板。所 述基板堆叠在所述承载料盒内。传送部沿基本平行于所述长轴的方向传送所述 承载料盒，以将所述承载料盒装到所述反应室内，或将所述承载料盒从所述反 应室取出。所述加热器将加热所述反应室加热。所述供气部向所述反应室供给 合成碳纳米管用的气体。所述排气部从所述反应室排出剩余气体。
在实施例中，供气部可通过反应室的上部对反应室供给气体。排气部可通 过反应室的下部将剩余气体排出。
在实施例中，反应室包括外壳体以及设于外壳体中的内壳体。所述内壳体 可包括多个注气孔，以使气体经过注气孔流入内壳体中。所述注气孔可沿基本 垂直于反应室长轴的方向排布。
在一个实施例中，可围绕反应室的外壳体设置加热器。
在实施例中，所述基板可沿与反应室的长轴基本平行的方向，堆叠在反应 室中。
在实施例中，供气部可包括氢气存贮器、惰性气体存贮器及碳源气体存贮器。
在一个实施例中，所述装置还可包括用于控制反应室压力的调压部。 在实施例中，所述装置还可包括设于反应室下方的备用室，承载料盒在装 入反应室之前或从反应室取出之后，都放置在该备用室内。所述备用室包括一 扇门，所述基板通过这扇门装到该备用室内，或从备用室取出。
在一个实施例中，所述装置还可包括传送自动机，所述传送自动机放置于所述门旁以将所述基板装入所述备用室或者将所述基板从所述备用室中取出。
在一个实施例中，所述装置还可包括用于清洁在基板上生成的碳纳米管的 清洁装置。
根据本发明的另一方面，提供一种合成碳纳米管的方法。在所述合成碳纳 米管的方法中，催化剂金属粉可放置在多块基板上。所述基板可插入承载料盒。 在将承载料盒装入具有基本垂直于长轴的反应室中之后，在加热反应室的同 时，合成碳纳米管的气体可供给到反应室内。
在实施例中，所述基板可沿着与反应室的长轴充基本平行的方向，堆叠在 所述承载料盒内。
在供给合成碳纳米管用的气体过程中，还原气体可供给到反应室内，以还 原催化剂金属粉，然后，合成碳纳米管用的碳源气体，可供给到反应室。所述 还原气体可包括氢气，所述碳源气体可包括烃类气体。
在实施例中，惰性气体及氢气可在供给合成碳纳米管所用气体的同时，供 给到反应室内。
在实施例中，所述催化剂金属粉包括过渡金属。
在实施例中，所述反应室温度可加热至约600 1，200°C。
根据本发明的另一方面，提供了一种合成碳纳米管的方法。在所述合成碳 纳米管的方法中，催化剂金属粉可以是被还原而生成的还原的催化剂金属粉。 还原的催化剂金属粉可放置在基板上。在将所述基板插入承载料盒之后，该承 载料盒可装到具有基本垂直于长轴的反应室内。可在加热反应室的同时将合成 碳纳米管用的气体供给到反应室内。
根据本发明的实施例，反应室可垂直设置，备用室可设置在该反应室的上 方。因此，收集基板上的碳纳米管可很方便，而且该反应室的管理可有效提高 碳纳米管的生产率。


通过参考附图，详述本发明的实施例，本发明的上述及其他特征与优点，
将更加显而易见。其中
图l是示出常规合成碳纳米管(CNT)所用装置的剖视图； 图2是示出本发明实施例合成碳纳米管装置的剖视图； 图3是示出图2合成碳纳米管所用装置局部剖切的立体图； 图4是示出图2合成碳纳米管所用装置内壳体的立体图。
具体实施例方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出的实施例的限制。 更确切地，提出这些实施例以达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术 人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区的 尺寸及相对尺寸。
应理解，当将元件或层称为"在另一元件或层上"、与另一元件或层"连 接"或"耦合"之时，其可以为直接在另一元件或层上、与其它元件或层连接 或耦合，或者存在居于其中的元件或层。与此相反，当将元件称为"直接在另 一元件或层上"、与另一元件或层"直接连接"或"直接耦合"，并不存在居 于其中的元件或层。整份说明书中类似标号是指类似的元件。如本文中所使用 的，术语"及/或"包括一或多个相关的所列项目的任何或所有组合。
应理解，尽管本文中使用第一、第二等来描述多个元件、组件、区域、层 及/或部分，但这些元件、组件、区域、层及/或部分并不限于这些术语。这些 术语仅用于一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区别开 来。由此，下文所称之第一元件、组件、区域、层或部分可称为第二元件、组 件、区域、层及/或部分，而不脱离本发明的教导。
空间相对的表述，如"在...之下(beneath)"、"在…下方(below)"、"下 (lower)"、"在...上方(above)"、"上(upper)"等，在本文中使用这 些表述以容易地表述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。应 理解，这些空间相对的表述除图中所示方位之外，还意欲涵盖该设备在使用或 工作中的不同方位。例如，若图中的该设备翻转，描述为"在其它元件或部件 之下"、"在其它元件或部件下方"的元件则会确定为"在其它元件或部件上 方"。由此，该示范性的表述"在...下方"可同时涵盖"在...上方"与"在... 下方"两者。该设备可为另外的定向(旋转90度或其它定向)，并且本文中 所使用的这些空间相对的表述亦作相应的解释。
本文中所使用的表述仅用于描述特定的实施例，并且并不意欲限制本发 明。如本文中所述的，单数形式的冠词意欲包括复数形式，除非其上下文明示。 还应理解，当本说明书中使用表述"包括"之时，明确说明了存在有所描述的 部件、整体、步骤、操作、元件及/或组件，但并不排除一或多个其它部件、整 体、步骤、操作、元件、组件及/或它们的组群的存在或添加。
本发明的实施例，本文中是参照本发明的理想化实施例(中间结构)的示 意剖视图来描述的。照此，预期会产生例如因制造工艺及/或公差而造成形状上 的变化。由此，本发明的实施例不应解释为将其限制成本文所示的特定区域形 状，还应包括例如，因制造而导致的形状偏差。例如，示为或描述为矩形的注 入区域一般可能具有圆形或曲线特征，以及/或其边缘的注入浓度的倾斜度，而 非从注入区域到非注入区域的二元变化。同样，因注入形成的隐埋区域，可能导致在区域和通过它发生注入的表面之间区域的注入。由此，图中所示的区域 是示意性的，并且其形状并不意欲示出部件区域的精确形状，也不意欲限制本 发明的范围。
除非另行详细说明，本文所使用的所述术语(包括科技术语)的意思与本 技术领域的技术人员所通常理解的一致。还应理解，诸如一般字典中所定义的 术语应解释为与相关技术领域中的意思一致，并且不应解释为理想化的或过度 刻板的含义，除非在文中另有明确定义。
合成碳纳米管的装置
图2是表示根据本发明实施例的合成碳纳米管(CNT)装置的剖视图。图
3是表示图2装置局部剖切的立体图。
参见图2及3，合成碳纳米管装置包括反应室110、承载料盒210、传送部 170、加热器120、供气部130及排气部140。
反应室IIO的形状可为中空的多边柱形、圆柱形等。反应室110的长轴与 地面基本垂直，而反应室110的短轴则基本与地面平行。即，反应室110可具 有一个基本垂直的长轴。反应室IIO的剖面为圆形或者诸如矩形、六边形等的 多边形。
在一些实施例中，反应室110包括内壳体111及外壳体112。内壳体lll 及外壳体112可为一体形成。或者，内壳体111及外壳体112也可各自单独制 备。反应110的内壳体111可设置在外壳体112的内侧。
当反应室IIO包括内壳体111及外壳体112时，气体可均匀地供给到装于 设在反应室110内的承载料盒210的多块基板220上。内壳体111包括多个注 气孔113，用于将气体均匀供给到基板220上。注气孔113可设置为基本平行 于装在承载料盒210的基板220。反应室110的构造及功能将参考图4进行详 细描述。
承载料盒210承载有基板220。例如，基板220可沿与反应室110的长轴 基本垂直的方向，插到承载料盒210内。此外，基板220可垂直堆叠在承载料 盒210中。承载料盒210内的基板220装到反应室110中。承载料盒210例如 可包括石英、石墨等。
各基板220例如可包括硅基板、氧化铟锡(ITO)基板、涂敷ITO玻璃基 板、碱石灰玻璃(soda-lime glass)基板等。或者，只要基板220在合成碳纳米 管时具有足够的机械强度，基板220还可包括其他材料，
传送部170沿着相对于反应室110朝上的方向传送承载料盒210，以将基 板220装到反应室110内。此外，传送部170向下移动，藉此从反应室110取 出基板220。承载料盒210可设在传送部170的一端。
加热器120对反应室110进行加热。加热器120可围绕反应室110的外壳体设置。加热器120可将反应室110加热至预定温度。例如，反应室110可被
加热至约600 1,200°C。在一个实施例中，可采用炉子来作所述合成装置的加 热器120。
供气部130向反应室IIO供给气体。所述气体可通过反应室IIO上部供到 反应室110内。或者，供气部130可通过反应室IIO的侧部或下部，将气体供 到反应室110内。
在一些实施例中，供气部130可包括氢气存贮器131、惰性气体存贮器132 及碳源气体存贮器133。
氢气存贮器131、惰性气体存贮器132及碳源气体存贮器133连接到第一 管301。换句话说，第一管301分为第二管302、第三管303及第四管304。氢 气存贮器131通过第二管302连接到第一管301。惰性气体存贮器132通过第 三管303连接到第一管301。碳源气体存贮器133通过第四管304连接至第一 管301。第一管301也连接到反应室110的上部。
第一管301中安装有第一阀401，且第二管302中安装有第二阀402。此 外，第三管303中安装有第三阀403，且第四管304中安装有第四阀404。
第一阀401可控制气体混和物的流速，所述气体混和物包括来自氢气存贮 器131的氢气、来自惰性气体存贮器132的惰性气体及来自碳源气体存贮器133 的碳源气体。第二阀402、第三阀403及第四阀404可调节该气体混和物的组 成。也就是说，所述气体混和物中，氢气、惰性气体及碳源气体的浓度，可通 过第二阀402、第三阔403及第四阀404来调节。所述碳源气体包括烃类气体。
在一个实施例中，如图2所示，具有第二阀402的第二管302、具有第三 阀403的第三管303以及具有第四阀404的第四管304，都通过如图2所示的 第一管301，连接到反应室110。在另一实施例中，具有第二阀402的第二管 302、具有第三阀403的第三管303以及具有第四阀404的第四管304，则可直 接连接到反应室110。
当包括其上放置有催化剂金属粉的基板220的承载料盒210装到反应室 IIO内的时候，第一阀401及第二阀402打开，这样，氢气从氢气存贮器131 注入到反应室110内的基板220上。
由于加热器120将反应室加热至约600 1，20(TC，所以氢气与催化剂金属 粉反应，将催化剂金属还原，且生成水蒸气。所述水蒸气可通过反应室110的 下部从反应室110排出。例如，该水蒸气可从经由连接到反应室IIO下部的出 口 (未予图示)排出。
当第三阀403及第四阀404打开时，惰性气体及碳源气体便供给到反应室 110内。从碳源气体分离出来的碳，可被吸收在已被还原的催化剂金属上，以 使碳纳米管各自在基板220上生长。排气部140排出反应室IIO的剩余气体，调压部180则控制反应室110的压力。
在一些实施例中，合成碳纳米管的装置还包括备用室160。备用室160可 设于反应室110下方。在基板220装到反应室110内之前，或基板220从反应 室110中取出之后，基板220可放到备用室160。
备用室160可包括门161。此外，所述装置还可包括设于靠近备用室160 的门161旁的传送自动机310。传送自动机310可将基板220装到备用室160 内，或将其上形成有碳纳米管的基板220从备用室160取出。
备用室160与反应室110之间可安装闸阀150，以打开反应室110或关闭 反应室110。
图4为示出图2反应室110的内壳体111的部分立体图。
参见图2及4，反应室110包括内壳体111及外壳体112。内壳体lll设 于外壳体112内侧。内壳体111包括多个注气孔113。注气孔113可沿着与反 应室110的长轴基本垂直的方向排布。反应室110的整个圆周部分上都形成。 由此，装于反应室110内的基板220，其周围可为注气孔所环绕。或者，或者， 注气孔113的排列根据多种情况而有所改变。
当所述气体通过第一管310从供气部130供给到反应室110内的时候，该 气体被注入到外壳体112与内壳体111之间的空间。然后，该气体通过注气孔 113供给到内壳体111。因此，该气体可均匀地与设于反应室110下部及上部 的基板220上的催化剂金属粉起反应。
合成碳纳米管的方法
以下，参考图2至4，详述使用上述装置合成碳纳米管的方法。
制备用作合成碳纳米管的基底的基板220。基板220分别可包括硅基板、 ITO基板、涂敷ITO玻璃基板、碱石灰玻璃基板。只要在基板上合成碳纳米管 时该基板具有足够的机械强度，各基板220均可包括其他材料。
在一些实施例中，基板220可在该基板220制备好之后装到清洁装置(未 予图示)之内。基板220可在此清洁装置中使用清洁气体或清洁液来进行清洁 处理。例如，惰性气体可用作该清洁气体。
催化剂金属粉放置在基板220上。所述催化剂金属粉可包括过渡金属。例 如，该催化剂金属粉可包括铁(Fe)、镍(Ni)等。
使用传送自动机310经过门161将其上放置有该催化剂金属粉的基板220 传送至备用室160的盒状部210。传送部170可向上提升承载料盒210至反应 室IIO。也就是说，传送部170可沿着基本平行于反应室IIO长轴的方向，传 送装有基板220的承载料盒210。
闭合闸阀150，开启第一阀401及第二阀402，自氢气存贮器131往反应室110供给氢气。
加热器120可将反应室110温度加热至约600 1,200°C。其结果，氢气与 催化剂金属粉反应生成水蒸汽。该水蒸汽可通过反应室110的下部从反应室110 排出。 '
开启第三阀403及第四阀404，向反应室110供给惰性气体及碳源气体。 该惰性气体包括氦气、氖气、氩气及氮气等。此外，该碳源气体可包括烃类气 体。从该碳源气体分离出来的碳，可被吸收至还原催化剂金属上，并在基板220 上生长形成碳纳米管。
当生成碳纳米管的反应已经完成时，开启闸阀150，传送部170将承载料 盒210向备用室160移动。
开启备用室160的门1 61，基板220通过传送自动机310从备用室160中 取出。
在一些实施例中，对在基板220上合成得到的碳纳米管，可进行诸如清洁 处理这样的附加处理。
碳纳米管与基板220分离，然后用后处理设备(未予图示)收集，藉此来 合成碳纳米管。
如前所述，还原处理催化剂金属粉的过程和合成碳纳米管的过程，均可在 反应室110中接连进行。然而，还原催化剂金属粉的过程，可在还原室(未予 图示)中进行，可将其上置有已还原催化剂金属粉的基板220装到反应室110 内。换句话说，仅在反应室110内进行合成碳纳米管的过程。
根据本发明，反应室可基本垂直设置，而备用室设置在所述反应室的下方。 因此，收集碳纳米管很方便，反应室也可有效管理，故可增加碳纳米管的生产 率。
前文所述系用于描述本发明并不应解释为其限制。尽管业已描述了本发明 的若干实施例，本领域技术人员应容易地理解这些实施例可有多种修改而实质 上不脱离本发明的具有新颖性的教导及优点。因此，所有这些修改意欲包括在 如权利要求书所限定的本发明的范围之内。权利要求书中，装置加功能的句式 意欲覆盖本文所描述的执行所述功能的结构，而且不仅包括结构上的等同物还 包括等同的结构。因此，应理解，前文所述系用于描述本发明并不应解释为其 限制，并且这些所述描述实施例的修改以及其他实施例也包括在附属的权利要 求书的范围内。本发明由所附的权利要求书及其所包括的等同物所限定。
权利要求
1、一种合成碳纳米管的装置，其特征在于，该装置包括具有基本垂直的长轴的反应室；承载多个基板的承载料盒；沿基本平行于所述长轴的方向传送所述承载料盒的传送部，以将所述承载料盒装到所述反应室内，或将所述承载料盒从所述反应室取出；用于加热所述反应室的加热器；向所述反应室供给合成所述碳纳米管用气体的供气部；及从所述反应室排出剩余气体的排气部。
2、 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述供气部通过所述反应室的 上部向所述反应室提供所述气体，并且所述排气部通过所述反应室的下 部排出所述剩余气体。
3、 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反应室包括外壳体；及设于所述外壳体中的内壳体，所述内壳体包括多个注气孔以使所述 气体经过所述注气孔流入所述内壳体。
4、 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述注气孔沿基本垂直于所述 反应室长轴的方向排布。
5、 如权利要求3所述的装置，其特征在于，围绕所述反应室的外壳体设置 所述加热器。
6、 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基板沿基本平行于所述反 应室长轴的方向堆叠在所述反应室内。
7、 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述供气部包括氢气存贮器； 惰性气体存贮器；及 碳源气体存贮器。
8、 如权利要求l所述的装置，其特征在于，还包括用于控制所述反应室的 压力的调压部。
9、 如权利要求l所述的装置，其特征在于，还包括一个设于所述反应室下 方的备用室，所述承载料盒在装入所述反应室之前或从所述反应室中取 出之后，放置于所述备用室中。
10、 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述备用室包括门，所述基板 通过所述门装到所述备用室内或从所述备用室中取出。
11、 如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括传送自动机，所述传送自动机设置于所述门旁以将所述基板装入所述备用室或者将所述基 板从所述备用室中取出。
12、 如权利要求l所述的装置，其特征在于，还包括用于对在所述基板上生 成的碳纳米管进行清洁的清洁装置。
13、 一种合成碳纳米管的方法，其特征在于，包括将催化剂金属粉放置在多个基板上； 将所述基板插入承载料盒；将所述承载料盒装到具有基本垂直的长轴的反应室内；及 在加热所述反应室的同时，向反应室内供给合成所述碳纳米管用的 气体。
14、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基板沿基本平行于所述 反应室长轴的方向堆叠在所述承载料盒内。
15、 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述合成碳纳米管用的气体 的供给包括将还原气体供给到所述反应室内以还原所述催化剂金属粉；及将合成所述碳纳米管用的碳源气体供给到所述反应室内。
16、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述还原气体包括氢气，所述碳源气体包括烃类气体。
17、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述合成碳纳米管用的气体 供给还包括将惰性气体及氢气供给到所述反应室内。
18、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述催化剂金属粉包括过渡 金属。
19、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述反应室温度加热至约600 1,200°C。
20、 一种合成碳纳米管的方法，其特征在于，包括还原催化剂金属粉以生成已还原催化剂金属粉；将所述已还原催化剂金属粉置于基板上；将所述基板插入承载料盒内；将所述承载料盒装到具有基本垂直的长轴的反应室内；及 在加热所述反应室的同时，将合成所述碳纳米管用的气体供给到所 述反应室内。
全文摘要
一种包括反应室、承载料盒、传送部、加热器、供气部和排气部的合成碳纳米管的装置。所述碳纳米管是在反应室中合成的。反应室具有基本垂直的长轴。承载料盒承载多个基板。传送部沿着基本平行于长轴的方向，将承载料盒装入反应室或从反应室中取出。加热器加热反应室。供气部向反应室供给合成碳纳米管用的气体。排气部从反应室排出剩余气体。碳纳米管可方便收集，反应室可有效管理，碳纳米管生产率高。
文档编号C01B31/02GK101293643SQ20071030663
公开日2008年10月29日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年4月27日
发明者赵重根, 金炯俊, 黄湖水 申请人:细美事有限公司