本发明涉及碳纳米管生产，尤其涉及一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法。
背景技术：
1、碳纳米管是由一层或多层石墨烯卷成的空心管，分别称为单壁碳纳米管(swnts)和多壁碳纳米管。碳纳米管由于其优异的性能诸如很高的杨氏模量和抗拉强度、高热导率和高的电子迁移率以及具有管内规整的孔结构和巨大的比表面积等，在复合材料、电化学电极材料、柔性电极材料、场发射器件以及纳米电子器件等领域都具有极为广阔的应用前景。碳纳米管具有典型的一维管状结构和兼具半导体性和金属性，同时由于sp2杂化的c-c单键具有1/300光速的电子运动速度以及高达20000cm2/(v·s)的电子迁移率，单壁碳纳米管作为电极材料对电化学性能的增强效果更加显著。因此，如何有效地实现对单壁碳纳米管高质量制备，对单壁碳纳米管规模化应用具有重要意义。
2、目前，生长单壁碳纳米管的方法主要有电弧放电法、激光蒸发催化沉淀技术和化学气相沉积法(cvd)等。前2种方法操作十分复杂，它们需要在3000℃以上的高温条件下将固态的碳源蒸发为碳原子，制备条件严苛；此外通过蒸发碳原子生长的碳纳米管形态会发生高度纠缠，与其它碳杂质以及金属催化剂相互杂糅，制备得到的单壁碳纳米管不均匀且纯度较低，性能受限。
3、化学气相沉积法(cvd)制备碳纳米管具有非常明显的优势。cvd制备swnts的设备简单且可操纵性好，一般在常压下进行，同时swnts生长温度低，对仪器设备的使用要求较低，而且工艺流程简单，可对生长进行有效控制，益于工业化应用。尽管如此，现有cvd法制备纯度高、均匀性好的swnts的技术方案仍然具有非常广阔的进步空间，仍然需要进一步优化。cvd法制备纯度高、均匀性好的swnts仍然存在较大的问题，如swnts产率非常低、制备成本非常高等。
4、现有技术中，申请公布号为cn110694633a的中国专利公开了一种单壁碳纳米管的cvd制备方法，其提出通过对基于mgo负载的fe-mo双金属催化剂的配方进行优化，大幅度降低催化剂中mg元素的含量，降低催化剂的制备成本，同时通过对碳纳米管cvd生长过程中的ch4、h2和惰性气体通量的最优组合进行探索，实现单壁碳纳米管( swnts )的宏量化制备。但该专利提出的方法还存在以下缺点：一是其通过特定的催化剂催化生长得到单壁碳纳米管，应用范围受限；二是该方法得到的产物为单壁碳纳米管与催化剂混杂在一起的混合物，需要纯化处理。
5、因此，综上所述，仍需出现更多能制备高质量单壁碳纳米管的方法，以满足本领域的需求。
技术实现思路
1、为了解决上述高质量单壁碳纳米管的技术问题，本发明提供了一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法。本发明通过提供用于向反应炉喷射碳源的喷枪，沿着反应炉顶部至底部方向，将喷枪出口设置于反应炉的1/5至1/2的炉长位置处，从该位置处通入碳源，在800~1200℃下，制备得到一种高纯度的单壁碳纳米管。
2、本发明的具体技术方案为：
3、本发明提供了一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
4、s1、提供立式cvd反应炉，并将催化剂置于反应炉中；
5、s2、提供用于向反应炉喷射碳源的喷枪，以反应炉的高度计，沿着反应炉顶部至底部方向，使喷枪出口位于反应炉的1/5至1/2位置处；
6、s3、将反应炉升温至800~1200℃，待温度稳定后，通过喷枪向反应炉通入碳源，收集黑色粉末，即为单壁碳纳米管。
7、本发明提供了一种利用化学气相沉积技术制备单壁碳纳米管的方法。主要过程为，金属颗粒催化剂漂浮在cvd反应炉中，通入碳源、载气等气体，在气流的作用下，金属颗粒催化剂始终处于气流的前端，带着碳纳米管生长，高温环境下，碳源在金属颗粒表面分解，碳原子不断析出，重复自组装，碳纳米管不断生长、延长，最终组成了碳纳米管。
8、现有技术中，以化学气相沉积法制备碳纳米管，难以制备得到单壁碳纳米管，得到的产物中含有较高含量的杂质。经过多次实验，本发明研究人员发现，当立式cvd反应炉中进行生长放映，沿着反应炉顶部至底部方向，将碳源进气口设置在反应炉的1/5至1/2炉长位置处，能生长得到杂质含量较少的单壁碳纳米管。基于上述发现，本发明人员对cvd法制备单壁碳纳米管的进气方式及进气位置进行了优化，由此提出了本发明。
9、具体地，本发明通过提供用于向反应炉喷射碳源的喷枪，沿着反应炉顶部至底部方向，将喷枪出口设置于反应炉的1/5至1/2的炉长位置处，从该位置处通入碳源，在800~1200℃下，使碳源裂解，并沿着催化剂生长，得到一种高纯度的单壁碳纳米管。
10、需将喷枪出口设置于反应炉的1/5至1/2的炉长位置处，从该位置处通入碳源，得到的单壁碳纳米管质量较高。喷枪出口位于反应炉靠近底部的位置，碳源难以与催化剂均匀接触，因此得到的碳纳米管表面有很多的无定形碳和被包裹催化剂形成的大团聚颗粒，形成较多的毛刺；而当喷嘴处于靠近顶部，会导致底部气流速度太慢，进气处的气流流速较大，气流差在碳纳米管生长时产生较为明显的影响，使得纳米管生长不均匀。
11、作为本发明上述技术方案的优选，喷枪出口的截面为上宽下窄的梯形，且喷枪出口的数量至少为2。
12、为了防止碳原子自组装成为纳米管时出现堆积情况，喷枪出口的数量至少为2，且喷枪出口的截面需为上宽下窄的梯形。使喷枪出口的数量至少为2，便于分散碳原子，避免堆积生长，但一层碳纳米管的自组装过程是一个较为快速的过程，因此需要将喷枪出口的截面为上宽下窄的梯形，使碳源进行汇流后喷射进反应炉。
13、作为优选，喷枪出口为倒圆台型管道。
14、作为本发明上述技术方案的优选，喷枪上设有水冷组件，用于给处于反应炉中的喷枪段降温。
15、由于本发明需要将喷枪设置于反应炉内，在化学气相沉积过程中，炉内温度较高，需要给喷枪设置水冷组件，用于给处于反应炉中的喷枪段降温，防止碳源在喷枪内分解。
16、作为本发明上述技术方案的优选，步骤s3中，反应炉升温至1000~1100℃。
17、作为本发明上述技术方案的优选，碳源为甲烷。
18、进一步优选，碳源的进气速率为5~10l/h。
19、作为本发明上述技术方案的优选，步骤s3中，待温度稳定后，还向反应炉中通入氢气，流量为150~300sccm。
20、适量的氢气通入，可以帮助防止碳原子过度堆积，从而促进单壁碳纳米管的形成，避免多壁碳纳米管的生成。
21、作为本发明上述技术方案的优选，步骤s3中，使用惰性气体作为载气通入碳源，载气的流量为600~1000sccm。
22、载气可以有助于碳源的通入，同时，其作为稀释气体，可以调节反应室内的气相浓度，从而优化单壁碳纳米管的生长条件。
23、作为本发明上述技术方案的优选，催化剂选自二茂铁、二茂镍和二茂钴中的一种或多种。
24、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
25、（1）本发明通过提供用于向反应炉喷射碳源的喷枪，沿着反应炉顶部至底部方向，将喷枪出口设置于反应炉的1/5至1/2的炉长位置处，从该位置处通入碳源，在800~1200℃下，使碳源裂解，并沿着催化剂生长，得到一种高纯度的单壁碳纳米管，其集中氧化温度至少为803℃，非碳杂质含量在14%以下。
26、（2）现有cvd法为了制备得到高质量单壁碳纳米管，主要通过制备新的催化剂，，该方法成本较高且应用范围受限。而本发明基于优化进气位置以及通过对喷嘴的出口进行改进而改变气流的喷射方式的高质量单壁碳纳米管制备方法，应用简便，成本较低。
1.一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：喷枪出口的截面为上宽下窄的梯形。
3.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：喷枪出口的数量至少为2。
4.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：喷枪上设有水冷组件，用于给处于反应炉中的喷枪段降温。
5.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤s3中，反应炉升温至1000~1100℃。
6.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：碳源为甲烷。
7.如权利要求6所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：碳源的进气速率为5~10l/h。
8.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤s3中，使用惰性气体作为载气通入碳源，载气的流量为600~1000sccm。
9.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤s3中，待温度稳定后，还向反应炉中通入氢气，流量为150~300sccm。
10.如权利要求1所述的一种高纯度单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：催化剂选自二茂铁、二茂镍和二茂钴中的一种或多种。
