способ получения углеродных нанотрубок и реактор (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения углеродных нанотрубок, характеризующийся тем, что он включает получение в объеме реакционной камеры паров вещества катализатора путем испарения, по меньшей мере, частично расплавленного электрода, выполненного в форме резервуара, наполненного металлом, содержащим в своем составе вещество катализатора, и помещенного в объем реакционной камеры, под действием электрического дугового разряда, последующую конденсацию полученных паров вещества катализатора с образованием наночастиц катализатора и разложение газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора с образованием углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что электрический дуговой разряд формируют между, по меньшей мере, частично расплавленным электродом и твердым электродом.

3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что твердый электрод выполнен из графита, или тугоплавкого металла, или сплава тугоплавких металлов.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что электрический дуговой разряд формируют между первым, по меньшей мере, частично расплавленным электродом и вторым, по меньшей мере, частично расплавленным электродом, каждый из которых помещен в объем собственной реакционной камеры, а электрический дуговой разряд между ними формируют таким образом, чтобы он проходил через разрядный канал, соединяющий объемы названных реакционных камер, при этом в разрядный канал подают плазмообразующий газ в форме вихревого потока.

5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что плазмообразующий газ выбран из ряда: газообразный углеводород, инертный газ, водород, азот, аммиак, воздух или пар.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что электрический дуговой разряд формируют с помощью дугового плазмотрона.

7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что газообразные углеводороды выбраны из ряда: метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, этилен, пропилен, алифатические или олифинические углеводороды с содержанием атомов углерода от 1 до 10, моноциклические ароматические углеводороды, бициклические ароматические углеводороды и олефины С_хН_2х (при x, равном 2, 3 или 4) или их смесь.

8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что вещество катализатора выбрано из ряда: переходные металлы 8 группы, переходные металлы 6B группы, переходные металлы 5B группы и смесь двух, трех, четырех или более переходных металлов.

9. Способ по п.1, характеризующийся тем, что продукты разложения газообразных углеводородов удаляют из объема реакционной камеры и отделяют углеродные нанотрубки от газообразных продуктов.

10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в объеме реакционной камеры поддерживают температуру 500-1200°С.

11. Реактор для получения углеродных нанотрубок, характеризующийся тем, что он включает реакционную камеру, содержащую вход для газообразных углеводородов и выход для продуктов разложения углеводородов, пару электродов, по меньшей мере, один из которых выполнен в форме резервуара, наполненного металлом, содержащим в своем составе вещество катализатора, и способен, по меньшей мере, частично плавиться и испаряться под действием электрического дугового разряда между ним и вторым электродом с образованием паров катализатора.

12. Реактор для получения углеродных нанотрубок, характеризующийся тем, что он включает первую реакционную камеру и вторую реакционную камеру, каждая из которых снабжена, по меньшей мере, одним электродом, содержащим вещество катализатора и выполненным в форме резервуара, наполненного металлом, содержащим в своем составе вещество катализатора, и помещенным в объем реакционной камеры, входом для газообразных углеводородов и выходом для продуктов разложения углеводородов, причем названные реакционные камеры соединены между собой разрядным каналом, выполненным таким образом, чтобы поддерживать проходящий через него электрический дуговой разряд между электродами.

13. Реактор по п.12, характеризующийся тем, что разрядный канал имеет вход для плазмообразующего газа, снабженный вихревой камерой.

14. Реактор по п.12, характеризующийся тем, что он содержит третью реакционную камеру, расположенную таким образом, что газообразные углеводороды поступают в первую реакционную камеру, наночастицы катализатора и газообразные продукты разложения углеводородов поступают из первой реакционной камеры во вторую реакционную камеру, а из второй реакционной камеры - в третью реакционную камеру.

15. Реактор по п.14, характеризующийся тем, что объем второй реакционной камеры больше объема первой реакционной камеры, а объем третьей реакционной камеры больше объема второй реакционной камеры.

16. Реактор по п.14, характеризующийся тем, что вторая и третья реакционные камеры снабжены средствами для дополнительного поступления в них газообразных углеводородов.

17. Реактор по п.15, характеризующийся тем, что третья реакционная камера выполнена таким образом, что в ней поддерживается температура 500-1200°С.

18. Реактор по п.12, характеризующийся тем, что он содержит третью реакционную камеру, расположенную таким образом, что нанотрубки и газообразные продукты разложения углеводородов поступают из первой и второй реакционных камер в третью реакционную камеру.

19. Реактор по п.18, характеризующийся тем, что вторая и третья реакционные камеры снабжены средствами для дополнительного поступления в них газообразных углеводородов.

20. Реактор по п.18, характеризующийся тем, что третья реакционная камера выполнена таким образом, что в ней поддерживается температура 500-1200°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения углеродных нанотрубок и аппаратам для синтеза углеродных нанотрубок, в частности к способам и системам каталитического получения углеродных нанотрубок.

Углеродные наноструктуры, благодаря своим размерам и уникальным электрическим, термическим, химическим и механическим свойствам, находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Так, углеродные нанотрубки можно использовать в производстве адсорбентов, носителей катализаторов, неподвижных хроматографических фаз, различных композиционных материалов и др. Использование этих материалов в электронной промышленности объясняется такими свойствами углеродных нанотрубок, как механическая пластичность и значительная теплопроводность. Биосовместимость с тканями человека и животных обуславливает возможность их использования в медицине в качестве носителя для адресной доставки лекарственных агентов тканям-мишеням при направленной терапии.

Это изобретение разработано главным образом для использования в целях эффективного получения углеродных нанотрубок на основе каталитического разложения углеводородов в объеме реакционной камеры реактора, обеспечивающего высокую производительность, и будет здесь и далее рассматриваться со ссылкой на это применение. Тем не менее, следует учитывать, что это изобретение не ограничивается этой конкретной областью применения.

Углеродные нанотрубки, аллотроп углерода с цилиндрической наноструктурой, в последнее время вызывают значительный интерес в связи со своими уникальными свойствами. Их использование представляется очень привлекательным во многих областях техники, в том числе их потенциальное применение в строительных технологиях. Углеродные нанотрубки характеризуются очень высоким отношением длины к диаметру - много тысяч раз к единице и характеризуются чрезвычайной прочностью и уникальными электрическими свойствами, а также высокой эффективностью при использовании в качестве проводников тепла.

Известны различные способы получения углеродных нанотрубок: способ дугового разряда, каталитическое разложение углеводородов, лазерное выжигание (абляция), тепловое химическое осаждение, плазмохимическое осаждение и т.д.

Нанотрубки формируются как листы графита (также известные как графен), в которых атомы углерода упорядочены гексагонально в листы толщиной в один атом, и свернуты в цельный, без швов, цилиндр. Цилиндр, сформированный из одного листа графита, известен как одностенная углеродная нанотрубка и обычно имеет диаметр от примерно одного нанометра до нескольких десятков нанометров (примерно от 30 до 50) и имеет длину, которая может быть на много порядков величины больше диаметра. Многостенные нанотрубки могут также формироваться как концентрические цилиндры из графитового листа, который сам включает несколько листов графита, в которых имеется от двух до 50 стенок, обычно от 2 до 10. Такие многостенные нанотрубки могут иметь диаметр от нескольких (примерно от 2 до 5) нанометров до нескольких десятков нанометров (примерно от 30 до 50). Одностенные углеродные нанотрубки обычно получают способом дугового разряда, используя углеродные электроды в среде, содержащей металлический катализатор, или при использовании среды, в которой анодный электрод, применяемый для создания дугового разряда, содержит вещество металлического катализатора. Основными ограничениями способа дугового разряда являются: низкий выход нанотрубок, обычно не превышающий порядка 25%-30% от веса общей массы углерода, относительно небольшой размер производимых нанотрубок (их длина обычно составляет порядка 50-1000 нанометров), сложности, связанные с выделением нанотрубок в чистом виде, и сложности, связанные с варьирующимися геометрическими параметрами - диаметром и длиной углеродных нанотрубок, получаемых в результате этого процесса.

Каталитические способы получения углеродных нанотрубок могут преодолеть многие недостатки, присущие способам, основанным на дуговом разряде, и путем варьирования условий каталитического синтеза углеродных нанотрубок можно значительно сократить нежелательное образование аморфного углерода. Варьирование параметров катализатора и условий разложения углеводородного сырья позволяет изменять диаметр и длину получаемых углеродных нанотрубок и, кроме того, обеспечивать их высокий выход в сочетании с низкой концентрацией или отсутствием аморфного углерода. Отделение сформированных нанотрубок легче также произвести, используя методы каталитического синтеза, при которых углеродный материал можно отделить от металла и оксидов с помощью ультразвука, или используя один из разнообразных способов химической обработки, что позволяет легко получить чистые нанотрубки с открытыми концами. Кроме того, используя методы каталитического синтеза, можно получить прямые, наклонные и скрученные нанотрубки диаметра фуллеренов, что представляет как теоретический, так и практический интерес.

Тем не менее, вопреки этим преимуществам, способы каталитического синтеза для получения углеродных нанотрубок отличаются высокой стоимостью, связанной со сложной и дорогой подготовкой используемого катализатора. Существуют способы получения углеродных нанотрубок, обеспечивающие выход на единицу массы катализатора приблизительно 100, однако основное препятствие производства с использованием общепринятых методов - это высокая стоимость производства самого катализатора. В современных способах получения углеродных нанотрубок технологии производства катализатора, подготовки катализатора и последующие тезнологии получения нанотрубок разделены и представляют собой отдельные технологические процессы, требующие использования разного технологического оборудования.

Главным недостатком современных каталитических способов получения углеродных нанотрубок является то, что они состоят из нескольких стадий. Обычно процесс производства катализатора проходит несколько стадий. Катализатор обычно производится в форме порошка на подложке. В случае когда катализатор производится на подложке, мы сталкиваемся с проблемой отделения нанотрубки от подложки. Таким образом, существует необходимость усовершенствования процесса производства катализатора и получения углеродных нанотрубок. Существует также настоятельная потребность в дешевом, но обеспечивающем высокий выход продукции способе быстрого получения больших количеств высококачественных чистых углеродных нанотрубок однородной размерности для удовлетворения нужд множества разнообразных областей технологического применения этих нанотрубок.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков известных каталитических способов получения углеродных нанотрубок, к которым относятся: сложный и дорогой процесс приготовления катализатора, многостадийность и осуществление каждой стадии на отдельном оборудовании.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ получения углеродных нанотрубок, который включает получение в объеме реакционной камеры паров вещества катализатора путем испарения, по меньшей мере, частично расплавленного электрода, выполненного в форме резервуара, наполненного металлом, содержащим в своем составе вещество катализатора, и помещенного в объем реакционной камеры, под действием электрического дугового разряда, последующую конденсацию полученных паров вещества катализатора с образованием наночастиц катализатора, и разложение газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора с образованием углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора.

В предлагаемом способе получения углеродных нанотрубок приготовление катализатора и синтез нанотрубок выполняются одновременно в одном объеме реакционной камеры реактора. Способ и реактор (варианты), описанные здесь, имеют значительные преимущества перед известными способами получения нанотрубок, поскольку обеспечивают одновременное изготовление катализатора и получение углеродных нанотрубок, при непрерывной работе реактора с непрерывным получением нанотрубок.

В соответствии с первым аспектом изобретения представляется способ получения углеродных нанотрубок, который включает получение в объеме реакционной камеры паров вещества катализатора, конденсацию полученных паров вещества катализатора с образованием наночастиц катализатора, и разложение газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора с образованием углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора.

Получение в объеме реакционной камеры паров вещества катализатора может быть осуществлено под действием электрического дугового разряда на, по меньшей мере, частично расплавленный электрод, содержащий вещество катализатора. Способ далее включает в себя конденсацию паров катализатора с образованием наночастиц катализатора, разложение газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора с получением углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора.

Упомянутый, по меньшей мере, частично расплавленный электрод может содержать металл. Как будет понятно опытному специалисту, имеется широкий диапазон металлов и сплавов, которые можно использовать также в качестве катализаторов для выращивания углеродных нанотрубок. Этот электрод может быть полностью изготовлен из вещества катализатора или может содержать смесь катализатора и других веществ. Электрод может содержать более чем 20%, более чем 30%, более чем 40%, более чем 50%, более чем 60%, более чем 70%, более чем 80%, более чем 90%, более чем 95% и так вплоть до почти 100% вещества катализатора.

Катализатор может содержать или быть переходным металлом, выбранным из элементов Группы 8, элементом Группы 6В, элементом Группы 5В, или смесью двух, трех, четырех или более элементов, являющихся переходными металлами. Катализатор может содержать или представлять собой переходный металл, выбранный из группы, включающей скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, технеций, рутений, родий, палладий, серебро, кадмий, гафний, тантал, вольфрам, или смесь, содержащую два, три, четыре или более переходных металла. Катализатор может содержать или представлять собой металл Группы 8, выбранный из группы, включающей: кобальт, никель, рутений, родий, палладий, иридий, железо, платину, или смесь, содержащую два, три, четыре или более металлов Группы 8. В качестве альтернативы катализатор может содержать или представлять собой элемент Группы 6В, выбранный из группы, включающей: хром, молибден, вольфрам или смесь двух, трех, четырех или более элементов Группы 6В. В качестве альтернативы катализатор может содержать или представлять собой элемент Группы 5В, выбранный из группы, включающей: ванадий; ниобий, тантал, или смесь двух, трех, четырех или более элементов Группы 5В. В качестве альтернативы катализатор может представлять собой смесь двух, трех, четырех или более элементов, выбранных из группы, включающей: кобальт, никель, рутений, родий, палладий, иридий, железо, платину, хром, молибден, вольфрам, ванадий; ниобий, тантал или иные элементы группы 5В, Группы: или Группы 8 или переходный металл. Электрод может быть полностью изготовлен из вещества катализатора, или может содержать смесь катализатора и наполнителя. Электрод может содержать более чем 20%, более чем 30%, более чем 40%, более чем 50%, более чем 60%, более чем 70%, более чем 80%, более чем 90%, более чем 95%, вплоть до почти 100% материала катализатора.

Электрический дуговой разряд может быть сформирован между этим, по меньшей мере, частично расплавленным электродом и твердым электродом. Твердый электрод может быть выполнен из графита, или тугоплавкого металла, например, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала или рения, или их сплавов.

Электрический дуговой разряд может быть сформирован при помощи плазматрона.

Электрический дуговой разряд может быть сформирован между первым, по меньшей мере, частично расплавленным электродом, и вторым, по меньшей мере, частично расплавленным электродом, причем каждый из них расположен в отдельной реакционной камере. Реакционные камеры могут быть соединены между собой разрядным каналом. Этот способ может включать формирование электрического дугового разряда в разрядном канале таким образом, что эти, по меньшей мере, частично расплавленные электроды в каждой из реакционных камер испаряются под действием электрического дугового разряда. Дуговой разряд может проходить через разрядный канал.

В разрядный канал может быть введен плазмообразующий газ с целью формирования электрического дугового разряда. Плазмообразующий газ может быть введен в разрядный канал в форме вихревого потока с целью формирования вихревого течения при помощи стандартных и хорошо известных методов. Плазмообразующий газ может быть введен в разрядный канал по касательной с целью формирования вихревого течения, стабилизирующего дуговой разряд. Плазмообразующий газ может содержать газообразный углеводород. Плазмообразующий газ может содержать инертный газ. Плазмообразующий газ может содержать один или несколько газов из ряда: аргон, азот, водород, аммиак, воздух, или пар.

Газообразный углеводород может быть выбран из группы, включающей: метан; этан; пропан; бутан; пентан; гексан; этилен; пропилен; алифатические или олифинические углеводороды, или углеводороды, в которых количество атомов углерода находится между 1 и 10 (т.е. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10); или моно- или бициклические ароматические углеводороды и олефины C_xH_2x (где x равно или 2, 3, или 4) или другой газообразный углеводород, или углеводород с высоким давлением насыщенных паров, этиловый спирт; или смеси таковых. Газообразный углеводород может содержать алифатические или олифинические углеводороды, в которых количество атомов углерода находится между 2 и 10. Газообразный углеводород, который подается в реакционную камеру, служит исходным материалом для получения углеродных нанотрубок, и может содержать моно- или бициклические (с сочлененными или изолированными кольцами) углеводороды и олефины С_хН_2х (где x равно или 2, 3, или 4).

Способ в первом аспекте может далее включать удаление газообразных продуктов разложения углеводородов и полученных углеродных нанотрубок из реакционной камеры. Способ может далее включать в себя отделение углеродных нанотрубок от газообразных продуктов разложения углеводородов.

В любых аспектах или конструкциях, описанных здесь, система может также содержать один или более любых элементов либо по отдельности, либо в подходящем сочетании.

В соответствии со вторым аспектом изобретения имеется реактор для получения углеродных нанотрубок, содержащий в объеме реакционной камеры два электрода. Один из этих электродов может быть, по меньшей мере, частично расплавленным электродом. Этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод может содержать вещество катализатора. Реактор может быть приспособлен для испарения этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода под действием электрического дугового разряда. Испаренный, по меньшей мере, частично расплавленный электрод содержит вещество катализатора. Реактор может быть далее приспособлен для конденсации паров катализатора с образованием наночастиц катализатора. Реакционная камера может быть приспособлена для разложения газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора для получения углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц.

Реактор может содержать область конденсации. Поскольку испарение происходит главным образом вблизи дугового разряда, область конденсации находится вблизи электрода. Наночастицы катализатора могут формироваться в области конденсации, которая может составлять весь объем реакционной камеры. Этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод формируется практически немедленно после воспламенения электрического дугового разряда. Температура в реакционной камере отличается от температуры в зоне испарения и температура реакционной камеры обычно находится в диапазоне порядка 500-1200°С. Температура самого электрода вблизи дугового разряда высока, но ниже, чем температура в самой дуге. Температура в области испарения составляет тысячи градусов, хотя эта область относительно невелика по сравнению с размерами обычной реакционной камеры. Нанотрубки обычно формируются при температуре 500-1200°С. Область конденсации может занимать значительную часть реакционной камеры и может занять практически весь объем реакционной камеры. Температура области конденсации легко контролируется изменением мощности электрической дуги и, следовательно, температуры в области испарения для оптимизации условий синтеза углеродных нанотрубок и для получения нанотрубок с различными характеристиками.

Катализатор может содержать, или представлять собой, переходный металл, выбранный из элементов Группы 8, элементов Группы 6В, элементов Группы 5В, или смесь из дух, трех, четырех или более элементов переходного металла. Катализатор может содержать, или представлять собой, переходный металл, выбранный из группы, включающей скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, иттрий, цирконий, ниобий, молибден, технеций, рутений, родий, палладий, серебро, кадмий, гафний, тантал, вольфрам, или смесь, содержащую два, три, четыре или более переходных металла. Катализатор может содержать, или представлять собой, металл Группы 8, выбранный из группы, включающей: кобальт, никель, рутений, родий, палладий, иридий, железо, платину, или смесь, содержащую два, три, четыре или более металла Группы 8. Катализатор может содержать или представлять собой элемент Группы 6В, выбранный из группы, включающей: хром, молибден, вольфрам или смесь двух, трех, четырех или более элементов Группы 6В. Катализатор может содержать или представлять собой элемент Группы 5В, выбранный из группы, включающей: ванадий; ниобий, тантал, или смесь двух, трех, четырех или более элементов Группы 5В. В качестве альтернативы катализатор может представлять собой смесь двух, трех, четырех или более элементов, выбранных из группы, включающей: кобальт, никель, рутений, родий, палладий, иридий, железо, платину, хром, молибден, вольфрам, ванадий; ниобий, тантал или иные элементы группы 5В, Группы: или Группы 8 или переходный металл.

Электрод может быть полностью изготовлен из вещества катализатора, или может содержать смесь катализатора и других материалов. Электрод может содержать более чем 20%, более чем 30%, более чем 40%, более чем 50%, более чем 60%, более чем 70%, более чем 80%, более чем 90%, более чем 95%, до почти 100% материала катализатора.

Система может также включать источник углеводородов. Реактор может содержать вход для введения газообразных углеводородов в реакционную камеру реактора, где осуществляется разложение углеводородов и происходит взаимодействие с наночастицами катализатора с целью формирования углеродных нанотрубок. Газообразные углеводороды могут поступать в камеру реактора со скоростью течения в зависимости от размеров реакционной камеры. Характерным значением является 0.1-9 граммов на 1 метр³ объема реакционной камеры. Реакционная камера может содержать выход для выведения наночастиц катализатора со сформированными на них нанотрубками. Система может далее включать технологический блок обработки. Этот технологический блок обработки может содержать вход технологического блока обработки для приема наночастиц со сформированными на них углеродными нанотрубками, которые выводятся через выход реакционной камеры. Этот технологический блок обработки может далее включать сепаратор для отделения продуктов распада газообразных углеводородов от нанотрубок, образовавшихся на наночастицах катализатора. Отделение нанотрубок может производиться различными способами, как будет понятно опытному специалисту с учетом технических и экономических факторов, например, используя методику фильтрационной сепарации (например, используя тканевой фильтр) или такие альтернативные методы, как удаление отходов с использованием циклонного сепаратора. Газ, несущий нанотрубки, поступает из реактора, охлаждается, и полученные нанотрубки, которые формируются на наночастицах катализатора, отделяются от газа с помощью известных методов, например, используя тканевый фильтр или циклон.

Система может далее включать технологический блок обработки, включающий входное отверстие технологического блока обработки для приема наночастиц катализатора со сформированными на них нанотрубками, которые выводятся через выходное отверстие реакционной камеры и сепаратор для отделения наночастиц от газообразных продуктов разложения углеводородов.

Реактор может содержать первую и вторую реакционные камеры, соединенные между собой разрядным каналом, приспособленным для поддержки электрического дугового разряда. Каждая реакционная камера может содержать, по меньшей мере, один, по меньшей мере, частично расплавленный электрод, содержащий вещество катализатора. Электрический дуговой разряд может быть приспособлен для испарения, по меньшей мере, частично расплавленного электрода к каждой реакционной камере.

Следует понимать, что как и предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание носят иллюстративный и пояснительный характер и предполагают дополнительное пояснение в формуле изобретения.

Прилагаемые рисунки приведены для обеспечения дальнейшего понимания этого изобретения и являются неотъемлемой частью этого описания изобретения, иллюстрируют примеры осуществления этого изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов этого изобретения.

Рисунок 1 дает схематическое изображение конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей один, по меньшей мере, частично расплавленный электрод;

Рисунок 2 дает схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей один, по меньшей мере, частично расплавленный электрод;

Рисунок 3 дает схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей один, по меньшей мере, частично расплавленный электрод;

Рисунок 4 дает схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей два, по меньшей мере, частично расплавленных электрода;

Рисунок 5 дает схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей два, по меньшей мере, частично расплавленных электрода и две реакционные камеры;

Рисунок 6 дает схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей два, по меньшей мере, частично расплавленных электрода и три реакционные камеры;

Рисунок 7 представляет дополнительное схематическое изображение дополнительной конструкции системы синтеза углеродных нанотрубок, включающей два, по меньшей мере, частично расплавленных электрода и три реакционные камеры;

Рисунок 8 представляет типичный вид получаемых углеродных нанотрубок.

Термин "приблизительно" используется здесь в отношении к количествам, которые подвержены колебаниям, изменениям не более 30% предпочтительно на величину, равную 20%, и наиболее предпочтительно на 10% относительно исходного количества.

В отношении рисунков следует заметить, что способ синтеза нанотрубок, изложенный здесь, может быть реализован на различных устройствах, обеспечивающих формирование дугового разряда. Например, в некоторых конструкциях, как показано на Рисунках 1-3, устройство включает электроды для создания электрического дугового разряда, из которых один электрод, который, по меньшей мере, частично плавится во время работы реактора, и второй - твердый электрод.

На Рисунке 1 показан пример системы 100 получения углеродных нанотрубок. Система 100 включает реактор 110 с реакционной камерой 115. Реактор 110 включает два электрода 120 и 130. Один из этих электродов, а именно электрод 130, может быть, по меньшей мере, частично расплавленным электродом, в котором находится часть 135 электрода 130 в расплавленном виде. Другой электрод 120 в данной конструкции является твердым электродом и может быть изготовлен из графита или альтернативного подходящего материала, такого как, например, тугоплавкие металлы и их сплавы (например, вольфрам, молибден и т.д.). Твердый электрод 120 может быть расположен прямо над поверхностью, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 130, под углом точно или примерно 90° к электроду 130, как показано на Рисунке 1. В данной конструкции этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод 130 расположен на дне реакционной камеры. Электрод 130 может быть реализован в виде открытого в объем реакционной камеры 115 резервуара или контейнера, заполненного металлом, например монолитным железом, или кусками железа, или сплавами, содержащими железо и другие элементы (марганец, и т.д.), а также материалом катализатора - в некоторых конструкциях, железо само может быть материалом катализатора. Следует отметить, что в процессе работы этот электрод плавится, создавая таким образом в начале работы, по меньшей мере, частично расплавленный электрод, и может расплавиться полностью и превратиться в расплавленный электрод.

Электроды 120 и 130 расположены так, что напряжение, поданное между ними, зажигает дуговой разряд 140 в пространстве между этими электродами. Дуговой разряд формируется между электродами 120 и 130, использующими источник тока для создания разницы потенциалов между электродами 120 и 130. В данной конструкции для создания дугового разряда можно использовать плазматрон.

Этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод 130 включает вещество катализатора и может быть полностью изготовлен из вещества катализатора, или может содержать смесь вещества катализатора и других материалов. Дуговой разряд 140 между электродами 120 и 130 способен испарять этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод 130 (в расплавленной части 135), так что эта расплавленная часть 135 электрода 130 производит пар. Полученный пар включает частицы вещества катализатора, содержащегося в электроде 130. Реактор 110 далее адаптирован так, что происходит конденсация паров с образованием наночастиц (не показано) катализатора. Реакционная камера 115 далее адаптируется для разложения газообразных углеводородов в присутствии наночастиц катализатора для получения углеродных нанотрубок на поверхности этих наночастиц катализатора. В конкретной конструкции системы 100 электрод 130 реализован в форме резервуара, наполненного, например, монолитным железом или кусками железа или сплавами, содержащими железо и другие вещества. Во время работы системы 100 электрод 130 может полностью расплавиться и после одного сеанса работы реактора будет в целом, как монолитный металл. Такой состав электродов включает вещество катализатора, например, само железо, которым наполнен резервуар, сможет служить катализатором для производства нанотрубок. В данной конкретной конструкции катализатор может содержать или представлять собой переходный металл, например, либо элемент Группы 8, элемент Группы 6В, элемент Группы 5В, или смесь двух, трех, четырех или более элементов переходного металла.

Реактор может содержать область конденсации 145, предназначенную для поддержания более низкой температуры, чем температура этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода, такой, что полученный пар от этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 130 конденсируется в области конденсации 145 с образованием наночастиц катализатора.

Цель источника углеводородов 150 - обеспечение подачи газообразного углеводорода в объем реакционной камеры через газотранспортную линию 155. Реактор 110 включает входное отверстие для углеводородов 160 для впуска газообразных углеводородов в реакционную камеру 115, где производится разложение углеводородов в присутствии наночастиц катализатора в зоне конденсации 145, которая может занимать весь объем реакционной камеры 115 и оттуда взаимодействовать с наночастицами с целью формирования нанотрубок в реакционной камере 115. Газообразные углеводороды могут поступать в реакционную камеру 115 через входное отверстие 160, которое может иметь форму канала в твердом электроде 120, как показано на Рисунке 1, или в качестве альтернативы, как показано в альтернативной конструкции 200, на Рисунке 2, иметь форму отдельного входного канала 260 в реакционную камеру 215, где 210 - это реактор.

После формирования плазменной дуги электрод 130 начинает плавиться, формируя таким образом, по меньшей мере, частично расплавленный электрод, и испаряться в объем реакционной камеры 115. Электрод 130 может начать плавиться немедленно после начала образования стабильного плазменно-дугового разряда 140 между электродами 120 и 130.

Полученный пар с поверхности электрода 130, включающего вещество катализатора, расширяется в объем реакционной камеры 115. В результате охлаждения полученные пары в области конденсации 145 реакционной камеры 115 конденсируются, таким образом формируя наночастицы катализатора в объеме реакционной камеры. Пар может достаточно охладиться после испарения с поверхности электрода, так что наночастицы катализатора могут сформироваться достаточно близко к поверхности, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 130 и расшириться в основной объем реакционной камеры. Сокращение объема, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 130 в связи с испарением можно компенсировать подачей дополнительного количества вещества электрода, из которого он состоит. Восполнение этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 130 можно осуществить, обеспечив подачу на этот электрод, например, в форме спускного желоба, соединенного с этим электродом 130, таким образом, что дополнительный металл можно добавить к этому электроду, обеспечив таким образом непрерывную работу реактора.

Газообразные углеводороды, например метан, поступают в реакционную камеру через входное отверстие 160, где производится разложение углеводородов (например, разложение метана происходит по формуле: CH₄ С+2H₂), и взаимодействуют в реакционной камере 115 с наночастицами катализатора для получения углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора.

Реакционная камера далее включает выходное отверстие 170 для вывода наночастиц катализатора с углеродными нанотрубками, сформировавшимися на их поверхности, и остаточными продуктами разложения углеводородов из реакционной камеры 115. При использовании углеродные нанотрубки, выращенные на наночастицах катализатора в реакционной камере 115, вместе с остаточными продуктами разложения углеводородов, включая диссоциированный водород, остаточный диссоциированный углерод, наночастицы катализатора без углеродных нанотрубок на них, и другие побочные продукты реакции, например остаточные пары от испарения, по меньшей мере, частично расплавленного электрода и т.д., постоянно выводятся из реакционной камеры 115. Система может далее включать технологический блок обработки 180, где выведенные материалы охлаждаются и полученные нанотрубки отделяются от остаточных газов разложения. Технологический блок обработки содержит входное отверстие технологического блока обработки 182 для приема наночастиц катализатора со сформированными на них углеродными нанотрубками, которые выводятся через выходное отверстие реакционной камеры 170. Этот технологический блок обработки 180 может далее включать сепаратор 185 для отделения углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки выводятся из этого технологического блока обработки через выходное отверстие технологического блока 183.

Дополнительная конструкция 300 системы получения углеродных нанотрубок изображена на Рисунке 3. В системе 300 дуговой разряд 140 формируется между твердым электродом 320 - плазматроном, и, по меньшей мере, частично расплавленным электродом 330, в котором часть 335 электрода 130 находится в расплавленном виде. Плазмообразующий газ подается в реактор 310 через отверстие 365 для стабилизации разряда. Поток газообразных углеводородов подается в реакционную камеру 315 через входное отверстие 360. В процессе работы плазменная дуга 340 горит между электродами 320 и 330, что приводит к испарению вещества катализатора, входящего в состав электрода 330, в объем реакционной камеры 315, где оно охлаждается в области конденсации и образуются наночастицы вещества катализатора в реакционной камере. Газообразные углеводороды разлагаются на наночастицах катализатора, в результате чего формируются углеродные нанотрубки на поверхности наночастиц катализатора и остаточный газообразный водород. Продукты разложения углеводородов вместе с углеродными нанотрубками выводятся из реакционной камеры 315 через выходное отверстие 370 и нанотрубки отделяются с помощью дальнейшей обработки, как показано выше.

Система может содержать несколько реакционных камер. Каждая реакционная камера может содержать два электрода, где один из этих электродов является, по меньшей мере, частично расплавленным электродом, содержащим вещество катализатора, систему, приспособленную для испарения этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода посредством электрического дугового разряда.

Система может содержать две реакционные камеры, соединенные между собой дуговым разрядным каналом, приспособленным для поддержки электрического дугового разряда. Электрический дуговой разряд может быть приспособлен для испарения этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода в каждой реакционной камере.

Дополнительная конструкция 400 аппарата для получения углеродных нанотрубок схематически изображена на Рисунке 4. В этой конструкции реактор 410 включает две реакционные камеры 412 и 414, каждая из которых может быть футерована огнеупорным кирпичом. Дуговой разряд может образовываться между двумя, по меньшей мере, частично расплавленными электродами 430 и 440, каждый из которых включает расплавленную часть 435 и 445 соответственно, расположенными по одному в каждой реакционной камере 412 и 414, как и выше, каждый из этих, по меньшей мере, частично расплавленных электродов содержит вещество катализатора, например переходный металл, такой как железо или иной подходящий катализатор. В данной конкретной конструкции каждый из этих электродов 430 и 440 реализуется в форме резервуара, наполненного металлом в форме монолита или кусков металла. Как и ранее, состав электродов 430 и 440 включает вещество катализатора, например, железо может служить катализатором и металлический железный лом можно использовать как электроды.

Реакционные камеры 412 и 414 соединены между собой разрядным каналом 405, через который, при его работе, проходит дуговой разряд 450. Разрядный канал имеет форму «трубки» и изогнут таким образом, что его концы и, соответственно, выходные отверстия направлены к поверхности электродов 430 и 440. Стенки разрядного канала 405 можно охлаждать, например, при помощи воды. Стенки реакционных камер 412 и 414 реактора 410 снабжены огнеупорной футеровкой.

Плазмообразующий газ вводится в разрядный канал 405 через входное отверстие 418, и может подаваться в форме вихревого потока через вихревую камеру 419, сконструированную таким образом, что плазмообразующий газ образует вихрь, стабилизирующий дуговой разряд 450, как будет очевидно специалисту в данной области. При работе электрический ток подается из источника тока 425, соединенного с электродами 430 и 440 по проводам 426 и 427. Источник тока 425 приспособлен для создания разности потенциалов между электродами 430 и 440 с целью формирования электродугового разряда 450.

Реакционные камеры 412 и 414 включают соответствующее входное отверстие 432 и 434, через которое поток газообразных углеводородов вводится в соответствующие объемы реакционных камер. При работе реактора тот же самый процесс происходит в каждой из реакционных камер 412 и 414. Под влиянием дугового разряда 450 электроды 430 и 440 плавятся, по меньшей мере, частично, образуя, по меньшей мере, частично расплавленные части 435 и 445, каждая из которых таким образом генерирует полученный пар в соответствующую реакционную камеру. Полученный пар конденсируется в реакционных камерах, образуя наночастицы катализатора. Газообразные углеводороды поступают в соответствующие реакционные камеры через входные отверстия 432 и 434, разлагаются в присутствии наночастиц катализатора и образуют углеродные нанотрубки на поверхности наночастиц катализатора и продукты разложения углеводородов выводятся из реакционных камер 412 и 414 через соответствующие выходные отверстия 442 и 444. Каждый из этих, по меньшей мере, частично расплавленных электродов 430 и 440 может содержать соответствующие средства подачи (не показанные на рисунке), дающие возможность пополнения электрода соответствующим материалом для непрерывной работы реактора, в результате чего газообразные углеводороды могут постоянно подаваться в объем реакционной камеры для непрерывного получения и вывода углеродных нанотрубок.

Дополнительная система 500 для производства нанотрубок изображена на Рисунке 5. В этой конструкции реактор также имеет две реакционные камеры 512 и 514, в каждой из которых имеется, по меньшей мере, частично расплавленный электрод, - электроды 530 и 540 соответственно, где в процессе работы каждый электрод образует, по меньшей мере, частично расплавленную часть 535 и 545 соответственно. Реакционные камеры 512 и 514 соединены между собой, как в системе 400, дуговым разрядным каналом 505. Плазмообразующий газ подается в разрядный канал 505 через входное отверстие 518. Однако, в данной конструкции, реакционные камеры 512 и 514 несимметричны. Реакционная камера 512 включает входное отверстие 532 для газообразных углеводородов, в котором углеводороды вводятся в реакционную камеру 512. Как и выше, в процессе работы, этот, по меньшей мере, частично расплавленный электрод содержит вещество катализатора. Электрод испаряется в объем реакционной камеры 512 и конденсируется, образуя наночастицы катализатора, на которых из газообразных углеводородов образуются в реакционной камере 512 углеродные нанотрубки. Полученные углеродные нанотрубки и продукты разложения углеводородов выводятся из реакционной камеры 512 через газовый канал 550 в реакционную камеру 514, объем которой значительно больше объема реакционной камеры 512. По мере того как продукты разложения из газового канала 550 расширяются в значительно больший объем реакционной камеры 514, дополнительные наночастицы катализатора формируются, в добавление к наночастицам катализатора, полученным в результате испарения катализатора и конденсации этого, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 540, таким образом способствуя дополнительному росту наночастиц катализатора и выращиванию дополнительных углеродных нанотрубок. В реакционных камерах поддерживается температура, необходимая для синтеза углеродных нанотрубок.

Наконец, нанотрубки с остаточными продуктами разложения углеводородов выводятся из реакционной камеры 514 через выходное отверстие 560 для дальнейшей обработки и отделения нанотрубок от продуктов разложения.

Дополнительный пример осуществления системы для производства нанотрубок изображен как 600 на Рисунке 6. В этой конструкции в направлении пути движения потока газа увеличиваются объемы реакционных камер. Таким образом, первая реакционная камера 612 имеет наименьший объем, а третья реакционная камера 616 - имеет самый большой объем. В каждой из камер происходит рост углеродных нанотрубок на наночастицах катализатора. Аналогично системе 500, реакционные камеры 612 и 614 (каждая) содержат, по меньшей мере, частично расплавленный электрод - электроды 630 и 640 соответственно, где в процессе работы каждый электрод включает, по меньшей мере, частично расплавленную часть 635 и 645 соответственно. Реакционные камеры 612 и 614 соединены между собой дуговым разрядным каналом 605, к которому плазмообразующий газ вводится в разрядный канал 605 через входное отверстие 618. Реакционная камера 612 включает входное отверстие 632 для газообразных углеводородов, через которое углеводороды вводятся в объем реакционной камеры 612.

Как и было описано выше, в процессе работы, этот, по меньшей мере, частично расплавленный и содержащий катализатор электрод, испарятся в объем реакционной камеры 612, конденсируется и образует наночастицы катализатора, на которых растут углеродные нанотрубки из разложенных газообразных углеводородов в реакционной камере 612. Синтезированные нанотрубки и продукты разложения выводятся из реакционной камеры 612 через газовый канал 650 в реакционную камеру 614, объем которой значительно больше объема реакционной камеры 612. По мере того как продукты разложения из газового канала 650 расширяются в значительно больший объем реакционной камеры 614, формируются дополнительные наночастицы катализатора, в добавление к наночастицам катализатора, полученным в результате испарения катализатора и конденсации, по меньшей мере, частично расплавленного электрода 640, таким образом, способствуя дополнительному росту наночастиц и выращиванию дополнительных углеродных нанотрубок. В камеру 614 также дополнительно могут вводиться свежие газообразные углеводороды через канал 634, чтобы увеличить объем получаемых нанотрубок.

Углеродные нанотрубки и остаточные продукты распада углеводородов затем выводятся из реакционной камеры 614 через газовый канал 660 в реакционную камеру 616, имеющую больший объем относительно камер 612 и 614.

В камеру 616 также подаются свежие газообразные углеводороды через газовый канал 680 от их источника.

И наконец, нанотрубки и остаточные продукты разложения выводятся из реакционной камеры 616 через выходное отверстие 670 для дальнейшей обработки и отделения нанотрубок от газообразных продуктов разложения.

Дополнительный пример осуществления системы 700 для производства нанотрубок изображен как 700 на Рисунке 7. В этой конструкции реактор включает три реакционные камеры 712, 714 и 716, где реакционные камеры 712 и 714 имеют одинаковый объем и работают так же, как и реакционные камеры 432 и 434 системы 400, изображенные на Рисунке 4, однако в этой конструкции продукты реакции и разложения каждой из камер 712 и 714 выводятся в третью камеру 716, имеющую объем больше, чем у реакционных камер 712 и 714, для дальнейшей конденсации испаренного катализатора с целью формирования дополнительных наночастиц катализатора для обеспечения дополнительного синтеза нанотрубок на них.

Аналогично системам 400, 500 и 600, реакционные камеры 712 и 714 (каждая) включают один, по меньшей мере, частично расплавленный электрод - электроды 730 и 740 соответственно, где в процессе работы каждый электрод включает одну, по меньшей мере, частично расплавленную часть 735 и 745 соответственно. Реакционные камеры 712 и 714 соединены между собой дуговым разрядным каналом 705, к которому плазмообразующий газ вводится в разрядный канал 705 через входное отверстие 718. Реакционная камера 712 включает входное отверстие 732 для газообразных углеводородов, углеводороды вводятся в реакционную камеру 712. Как и выше, в процессе работы, этот, по меньшей мере, частично расплавленный и содержащий катализатор электрод 730 испаряется в реакционную камеру 712 и конденсируется с образованием наночастиц катализатора, на которых углеродные нанотрубки из разложившихся газообразных углеводородов синтезируются в реакционной камере 712.

Аналогично, реакционная камера 714 включает входное отверстие 734 для газообразных углеводородов, через которое углеводороды вводятся в реакционную камеру 714. В процессе работы этот, по меньшей мере, частично расплавленный и содержащий вещество катализатора электрод 740 испаряется в объем реакционной камеры 714 и конденсируется с образованием наночастиц катализатора, на которых углеродные нанотрубки из разложившихся газообразных углеводородов синтезируются в реакционной камере 714.

Синтезированные углеродные нанотрубки и продукты разложения выводятся из реакционных камер 712 и 714 через соответствующие газовые каналы 750 и 760 в третью реакционную камеру 716, объем которой гораздо больше, чем у реакционных камер 712 и 714. По мере того как продукты разложения из газовых каналов 750 и 760 расширяются в значительно больший объем реакционной камеры 716, то происходит дополнительный рост наночастиц и выращивание дополнительных углеродных нанотрубок в объеме реакционной камеры 716.

В камеру 716 также подаются свежие газообразные углеводороды через газовый канал 780 от их источника.

В каждой из конструкций, описанных в настоящем документе, разложение газообразных углеводородов происходит в диапазоне температур порядка 500-1200°С, таким образом, температура в каждой из реакционных камер в каждой из вышеприведенных конструкций должна поддерживаться в пределах этого диапазона. Пример 1

Реактор для получения углеродных нанотрубок содержит две отдельные реакционные камеры 412 и 414, соединенные разрядным каналом 405, как показано на Рисунке 4, где объем каждой реакционной камеры составляет порядка 1 м³. Внутри каждая реакционная камера футерована огнеупорным кирпичом. На дне каждой реакционной камеры 412 и 414 устанавливаются резервуары, открытые в объем соответствующих реакционных камер. Резервуары футерованы огнеупорным кирпичом и полностью наполнены монолитным железом, образуя таким образом электроды 430 и 440, содержащие вещество катализатора. Объем каждого резервуара составляет порядка 50 литров, и каждый резервуар снабжен проводником для подачи электрического напряжения прямо на электроды 430 и 440. Каждая реакционная камера 412 и 414 имеет соответствующие входы 432 и 434 для введения газообразных углеводородов в объем реакционной камеры и соответствующие выходы 442 и 444 для вывода из объема реакционной камеры газообразных продуктов разложения углеводородов вместе с углеродными нанотрубками.

Разрядный канал 405, соединяющий реакционные камеры 412 и 414, имеет форму дуги, а его стенки охлаждаются водой, чтобы защитить разрядный канал от высоких температур, существующих в реакционных камерах. Конструкция разрядного канала такова, что плазмообразующий газ, поступающий через входное отверстие 418, образует вихревое течение в разрядном канале 405, таким образом стабилизируя электрический дуговой разряд в разрядном канале.

Плазмообразующий газ - азот, подается в разрядный канал 405 со скоростью порядка 1.5 г/сек через входное отверстие 418 и вихревую камеру 419, воспламеняется и образует плазменный дуговой разряд в канале 405. Плазмообразующий газ непрерывно подается в разрядный канал через входное отверстие 418, поддерживая ток электрического дугового разряда на уровне порядка 600 А при помощи источника тока 425. При таком токе напряжение дуги составляет приблизительно 800 В.

Под воздействием электрического дугового разряда 450 электроды 430 и 440 начинают плавиться, и железо, являющееся катализатором реакции разложения углеводородов, испаряется в каждую соответствующую реакционную камеру. Температура в объеме каждой реакционной камеры достигает приблизительно от 800°С до 950°С. Испарившееся вещество катализатора конденсируется в каждой реакционной камере, образуя наночастицы катализатора.

Одновременно в каждую реакционную камеру подаются газообразные углеводороды - метан, со скоростью примерно 10 грамм/сек. В объеме каждой реакционной камеры метан разлагается и образует углерод и водород, при этом углерод осаждается на поверхности наночастиц катализатора, что приводит к росту углеродных нанотрубок на наночастицах катализатора. Углеродные нанотрубки, выращенные на поверхности наночастиц катализатора, вместе с остаточными продуктами разложения углеводородов выводятся из каждой реакционной камеры через соответствующие выходы и поступают на дополнительный технологический блок обработки (например, технологический блок 180, как показано на Рисунке 1), где углеродные нанотрубки отделяются от газообразных продуктов разложения углеводородов подходящим для этого способом, таким как фильтрация.

Приблизительно 70% газообразного углеводорода - метана, разложилось с образованием, в основном, водорода и углеродных нанотрубок. На Рисунке 8 приведена фотография, полученная с помощью электронного микроскопа, демонстрирующая углеродные нанотрубки на фильтре.

Пример 2

Реактор для изготовления углеродных нанотрубок включает три последовательно расположенные реакционные камеры, как показано на Рисунке 6. Внутри каждая реакционная камера футерована огнеупорным кирпичом. Первая реакционная камера (в порядке отсчета справа налево) имеет объем около 1 м³, вторая реакционная камера, которая имеет объем около 2 м³, соединены между собой разрядным каналом и газоходом. Вторая реакционная камера соединена с третьей реакционной камерой, которая имеет объем около 7 м³, газоходом. В каждой камере имеется вход для подачи газообразных углеводородов. В третьей реакционной камере имеется выход для удаления газа из объема реакционной камеры. На дне первой и второй реакционных камер имеются резервуары, открывающиеся в объем своих соответствующих реакционных камер, футерованных огнеупорным кирпичом, и полностью заполненных катализатором - монолитным железом. Объем каждого резервуара составляет около 50 литров. Каждый резервуар снабжен проводником для подачи напряжения прямо на металл. Резервуары с железом функционируют как электроды.

Разрядный канал, который соединяет первую и вторую реакционные камеры, имеет форму симметричной дуги. Каждое поперечное сечение канала, в направлении, перпендикулярном оси, представляет собой окружность диаметром 40 мм. Длина разрядного канала составляет порядка 400 миллиметров. Стенки разрядного канала охлаждаются водой. Разрядный канал включает две электроизолированные секции. Секции соединены через вихревую камеру, расположенную в центральной части разрядного канала. Вихревая камера имеет такую форму, что плазмообразующий газ, протекающий через нее в разрядный канал, образует вихрь, который может стабилизировать электрический дуговой разряд.

После запуска реактора ток через электрический дуговой разряд поддерживается на уровне 600 А. Напряжение при таком токе - порядка 800 В. Под воздействием дугового разряда электроды, которые состоят из железа, плавятся, и материал электрода испаряется. Пары железа, поступающие в объем первой и второй реакционных камер, конденсируются, таким образом образуя наночастицы катализатора. Одновременно с этим газообразный углеводород - метан, подаваемый со скоростью 5 граммов в секунду, поступает в первую реакционную камеру. Часть углеводородов разлагается в первой реакционной камере на поверхности наночастицы катализатора, что обеспечивает рост углеродных нанотрубок на наночастицах катализатора. Смесь газообразных углеводородов, углеродных нанотрубок и наночастиц железа подается, через газоход, в объем второй реакционной камеры. Также газообразные углеводороды - метан, 5 граммов в секунду - подаются и во вторую реакционную камеру. В объеме второй реакционной камеры образуются наночастицы катализатора, на их поверхности также происходит разложение углеводородов, что также обеспечивает рост углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора. Более того, во второй реакционной камере происходит дополнительный рост нанотрубок, исходно образовавшихся в первой реакционной камере.

Затем смесь газообразных углеводородов, углеродных нанотрубок и наночастиц железа подается в третью реакционную камеру через газоход. Кроме того, газообразные углеводороды, в форме метана со скоростью 5 граммов в секунду, также подаются в третью реакционную камеру, чтобы обеспечить дополнительный рост углеродных нанотрубок, образовавшихся ранее в первой реакционной камере и второй реакционной камере, а также чтобы обеспечить образование дополнительных нанотрубок. Температура газа в объеме третьей реакционной камеры поддерживается в диапазоне 750-900°С. Углеродные нанотрубки, выращенные на поверхности наночастиц катализатора, вместе с измельченными продуктами разложения углеводородов, удаляются из объема третьей реакционной камеры, охлаждаются и затем фильтруются.

Пример 3

Реактор для получения углеродных нанотрубок включает три последовательно расположенные реакционные камеры, как показано на Рисунке 6. Внутри каждая реакционная камера футерована огнеупорным кирпичом. Первая реакционная камера (в порядке отсчета справа налево) имеет объем 0.4 м³ , вторая реакционная камера имеет объем 0.6 м³, и они соединены между собой разрядным каналом и газоходом. Вторая реакционная камера соединена газоходом с третьей реакционной камерой, объем которой 1 м³. В каждой камере имеется вход для подачи в ее объем газообразных углеводородов. В третьей реакционной камере имеется канал для вывода из ее объема газообразных продуктов разложения углеводородов и углеродных нанотрубок. На дне первой и второй реакционных камер имеются резервуары, открытые в объем соответствующих реакционных камер, футерованные огнеупорным кирпичом, и полностью заполненные монолитным железом, при этом железо является катализатором разложения углеводородов. Объем каждого резервуара составляет 50 литров.

Резервуары, наполненные железом, функционируют как электроды - каждый резервуар снабжен проводником для подачи напряжения прямо на металл.

Разрядный канал, соединяющий первую и вторую реакционные камеры, имеет форму дуги. Каждое поперечное сечение канала, в направлении, перпендикулярном его оси, представляет собой окружность диаметром 40 мм. Длина разрядного канала составляет порядка 400 миллиметров. Стенки разрядного канала охлаждаются водой. Разрядный канал состоит из двух электроизолированных секций. Эти секции соединены друг с другом через вихревую камеру, расположенную в центральной части разрядного канала. Вихревая камера имеет такую форму, что плазмообразующий газ, проходящий через нее в разрядный канал, образует вихрь, который может стабилизировать электрический дуговой разряд. Плазмообразующим газом является азот.

Третья камера снабжена нагревателем мощностью в 20 киловатт. После запуска реактора ток электрического дугового разряда поддерживается на уровне 600 А. Под воздействием электрического дугового разряда железные электроды плавятся с образованием паров вещества электродов. Полученные пары железа, поступающие в объем первой и второй реакционных камер, конденсируются, образуя при этом наночастицы катализатора. Одновременно с этим газообразный углеводород - метан, поступает в объем первой реакционной камеры со скоростью 1.5 грамм/сек. Часть газообразных углеводородов разлагается в первой реакционной камере, что обеспечивает рост углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора. Смесь газообразных углеводородов, углеродных нанотрубок, наночастиц железа и газообразных продуктов разложения углеводородов через газоход подается в объем второй реакционной камеры. Также газообразный углеводород - метан, со скоростью 1.5 грамм/сек - подается в объем второй реакционной камеры. В объеме второй реакционной камеры также образуются наночастицы катализатора, на их поверхности также происходит разложение углеводородов, что также обеспечивает рост углеродных нанотрубок на поверхности наночастиц катализатора. Более того, во второй реакционной камере происходит дополнительный рост нанотрубок, исходно образованных в первой реакционной камере.

Затем смесь газообразных углеводородов, углеродных нанотрубок, наночастиц железа и газообразных продуктов разложения углеводородов подается в третью реакционную камеру через газоход. Кроме того, газообразный углеводород - метан, со скоростью 5 грамм/сек, также подается в третью реакционную камеру, чтобы обеспечить дополнительный рост углеродных нанотрубок, образовавшихся ранее в первой реакционной камере и второй реакционной камере, а также чтобы обеспечить образование дополнительных нанотрубок. Температура газа в объеме третьей реакционной камеры поддерживается в диапазоне 750-1000°С. Углеродные нанотрубки, выращенные на поверхности наночастиц катализатора, вместе с газообразными продуктами разложения углеводородов, удаляются из объема третьей реакционной камеры, охлаждаются и затем фильтруются.