电火花合成催化剂的声悬浮CVD制备碳材料一体化装置

电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置
技术领域
1.本发明涉及化学气相沉积设备及时领域，具体而言，涉及一种电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置。


背景技术：

2.碳材料具有耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其它材料优异，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性，如最硬－最软，绝缘体－半导体－良导体，绝热－良导热，全吸光－全透光等，因此具有广泛的用途。碳材料主要包括碳纳米管、碳纤维、碳球等，在复合材料、电化学电极材料、隐身材料、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。因此，工业上对高质量的碳材料的需求一直在稳定的增长。
3.目前，生长碳材料的方法主要有激光蒸发石墨法、等离子体喷射沉积法、凝聚相电解生成法、石墨电弧法以及化学气相沉积法(cvd)。化学气相沉积法是制备碳材料所使用最广泛的方法，它主要是将含有碳源的气体(或蒸气)流经催化剂表面时进行催化分解，在不同的温度和反应时间的条件下获得所需求的碳材料。其中，化学气相沉积法的碳源通常采用乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等化学性质比较活泼的含有不饱和化学键的化合物，催化剂通常采用过渡金属、稀有金属或金属氧化物制备的催化剂气溶胶。
4.然而，现有的催化剂气溶胶中的催化剂颗粒会受重力影响会贴在cvd炉的侧壁，导致催化剂的利用率降低，催化效果不理想。


技术实现要素：

5.本发明的目的包括，例如，提供了一种电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置，其能够改善催化剂气溶胶中的催化剂颗粒会受重力影响会贴在cvd炉的侧壁，导致催化剂的利用率降低，催化效果不理想的问题。
6.本发明的实施例可以这样实现：
7.本发明实施例提供一种电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置，包括：
8.cvd炉，用于含碳元素气体在催化剂气溶胶的作用下制备碳材料；
9.超声悬浮装置，所述超声悬浮装置安装于cvd炉，所述超声悬浮装置可使所述催化剂气溶胶中的颗粒悬浮在所述cvd炉内。
10.在可选的实施方式中，所述cvd炉具有用于所述含碳元素气体和所述催化剂气溶胶反应的刚玉管，所述超声悬浮装置设置与所述刚玉管的底部，所述超声悬浮装置可与所述刚玉管配合形成驻波，以让所述催化剂气溶胶中的颗粒悬浮在所述cvd炉内。
11.在可选的实施方式中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置还包括清理组件，所述cvd炉具由进口和出口，所述清理组件安装于所述cvd炉进口的一侧，所述清理组件可由所述进口伸入所述cvd炉内，以对所述cvd炉进行清理，并且所述清理
组件可将其清理的清理物由所述出口推出。
12.在可选的实施方式中，所述清理组件包括管道、伸缩件、清理件和存储件，所述存储件安装于所述cvd炉，且所述存储件与所述出口连通，所述管道安装于所述cvd炉，且所述管道与所述进口连通，所述伸缩件和所述清理件均安装于所述管道内，所述清理件与所述伸缩件传动连接，所述伸缩件伸长可使所述清理件由所述进口伸入所述cvd炉内以对所述cvd炉进行清理，并可将清理物由所述出口推入所述存储件内。
13.在可选的实施方式中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置还包括催化剂制备组件和含碳元素气体输送组件，所述催化剂制备组件和所述含碳元素气体输送组件均与所述管道连通，所述催化剂制备组件用于制备所述催化剂气溶胶，所述含碳元素气体输送组件用于向所述cvd炉内输送所述含碳元素气体。
14.在可选的实施方式中，所述催化剂制备组件包括反应仓、第一电极、第二电极和聚焦超声换能器，所述第一电极和所述第二电极均可移动地安装于所述反应仓，所述第一电极位于所述反应仓内的一端设置有承载盘，所述承载盘用于承载催化剂，所述第一电极和所述第二电极放电可使所述催化剂形成颗粒状催化剂，且所述聚焦超声换能器设置于所述承载盘的上方，以细化所述颗粒状催化剂，所述反应仓设置有载流进气口，所述载流进气口用于向反应仓通入载流气体以使所述颗粒状催化剂形成催化剂气溶胶，并流向所述cvd炉内。
15.在可选的实施方式中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置还包括混合组件，所述混合组件具有进气口和出气口，所述催化剂制备组件和含碳元素气体输送组件均与所述进气口连通，所述出气口与所述管道连通，所述混合组件用于对所述催化剂气溶胶和所述含碳元素气体进行混合。
16.在可选的实施方式中，所述混合组件包括壳体和涡流风扇，所述涡流风扇安装在所述壳体内，所述进气口和所述出气口设置于所述壳体相对的两侧。
17.在可选的实施方式中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置还包括收集组件，所述收集组件包括收纳仓和滤芯。
18.所述收纳仓与所述出口连通，所述收纳仓具有安装腔和沉积腔，所述滤芯设置于所述安装腔，所述滤芯用于固气分离，所述沉积腔位于所述滤芯的下方，所述沉积腔用于存储固态材料。
19.在可选的实施方式中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置还包括抽真空泵，所述抽真空泵连接于所述催化剂制备组件，所述抽真空泵用于给所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置抽真空。
20.本技术实施例提供的电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置的有益效果包括：
21.本技术通过在cvd炉安装超声悬浮装置，利用超声悬浮装置产生的驻波原理克服催化剂气溶胶中颗粒物的重力，从而可以让催化剂气溶胶中的颗粒能够悬浮在cvd炉内，从而可以增大含碳元素气体与催化剂气溶胶中颗粒物的接触面积，从而可以提高催化效率，有利于碳材料的制备。同时，也可以改善催化剂气溶胶中的颗粒贴在cvd炉的壁面，从而可以提升cvd炉的使用效果。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例提供的电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置的结构示意图；
24.图2为本发明实施例提供的电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置的结构剖视示意图；
25.图3为本发明实施例提供的电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置的清理件的结构示意图。
26.图标：100-电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置；110-cvd炉；111-反应腔；113-刚玉管；115-进口；117-出口；130-超声悬浮装置；150-清理组件；151-管道；153-伸缩件；155-清理件；157-存储件；159-连接部；161-连接杆；163-清理部；167-连接管道；170-催化剂制备组件；171-反应仓；172-第一电极；173-第二电极；174-聚焦超声换能器；175-承载盘；176-载流进气口；177-千分尺；178-观察窗；179-冷却组件；180-含碳元素气体输送组件；181-三通；190-混合组件；191-进气口；193-出气口；195-壳体；197-涡流风扇；210-收集组件；211-收纳仓；213-滤芯；215-安装腔；217-沉积腔；230-抽真空泵；240-压力表。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
33.请参考图1，本实施例提供了一种电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体
化装置100，其能够制造，例如碳纳米管、碳纤维、碳球等碳材料。
34.在本实施例中，电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100包括cvd炉110和超声悬浮装置130。cvd炉110具有一反应腔111，该反应腔111用于含碳元素气体在催化剂气溶胶的作用下制备碳材料。超声悬浮装置130安装于所述cvd炉110，超声悬浮装置130可使催化剂气溶胶中的颗粒悬浮在cvd炉110内。
35.在本实例通过在cvd炉110安装超声悬浮装置130，利用超声悬浮装置130产生的驻波原理克服催化剂气溶胶中颗粒物的重力，从而可以让催化剂气溶胶中的颗粒能够悬浮在cvd炉110内，从而可以增大含碳元素气体与催化剂气溶胶中颗粒物的接触面积，从而可以提高催化效率，有利于碳材料的制备。同时，也可以改善催化剂气溶胶中的颗粒贴在cvd炉110的壁面，影响cvd炉110的使用效果。
36.需要说明的是，超声悬浮装置130是利用超声波原理可以让cvd炉110的反应腔111内形成驻波，从而克服催化剂气溶胶中颗粒物的重力，从而可以让催化剂气溶胶中的颗粒能够悬浮在cvd炉110内。
37.在本实施例中，所述cvd炉110具有用于所述含碳元素气体和所述催化剂气溶胶反应的刚玉管113，所述超声悬浮装置130设置与所述刚玉管113的底部，所述超声悬浮装置130可与所述刚玉管113配合形成驻波，以让所述催化剂气溶胶中的颗粒悬浮在所述cvd炉110内。
38.本实施例将超声悬浮装置130安装在刚玉管113的底部，从而可以让刚玉管113的上半部分形成反射面，而超声悬浮装置130和刚玉管113的共同作用可以催化剂气溶胶中颗粒物虚浮在刚玉管113内。
39.在本实施例中，超声悬浮装置130的数量包括两个，两超声悬浮装置130分别被安装在刚玉管113的两端，从而可让刚玉管113承载在两个超声悬浮装置130的上方。
40.当然，在本实施例中，cvd炉110还应当包括加热件等零件，以实现cvd炉110的功能。
41.在本实施例中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括清理组件150，所述cvd炉110具由进口115和出口117，所述清理组件150安装于所述cvd炉110进口115的一侧，所述清理组件150可由所述进口115伸入所述cvd炉110内，以对所述cvd炉110进行清理，并且所述清理组件150可将其清理的清理物由所述出口117推出。
42.由于碳材料在cvd炉110内生长会导致其质量增大，从而可能会附着在刚玉管113的管壁，影响cvd炉110温度的控制，同时，也会阻挡通入刚玉管113内的催化剂气溶胶导致催化剂气溶胶中的颗粒也附着在刚玉管113的内壁。本实施例通过设置清理组件150，使得清理组件150可伸入刚玉管113的内部，对刚玉管113的管壁附着的制备的碳材料或者催化剂进行清理，并将清理物推出刚玉管113，从而可以让催化剂气溶胶颗粒在超声悬浮作用下更好的悬浮在刚玉管113内。
43.请参照图1和图2，在本实施例中，所述清理组件150包括管道151、伸缩件153、清理件155和存储件157，所述存储件157安装于刚玉管113的一端，且所述存储件157与所述出口117连通，所述管道151安装于刚玉管113的另一端，且所述管道151与所述进口115连通，所述伸缩件153和所述清理件155均安装于所述管道151内，所述清理件155与所述伸缩件153传动连接，所述伸缩件153伸长可使所述清理件155由所述进口115伸入刚玉管113内以对刚
玉管113的内壁进行清理，并可将所述清理物由所述出口117推入所述存储件157内。
44.本实施例通过设置管道151，并且将伸缩件153和清理件155均安装在管道151内，从而可以方便的实现清理件155清理刚玉管113的内壁，并且能够很好的实现清理物的储存。
45.在本实施例中，管道151的一端封闭，另一端与进口115对中，伸缩件153为电动伸所述杆，电动伸缩杆安装在管道151内，清理件155安装在管道151的端部，在电动伸缩杆处于缩短状态时，清理件155的端部位于进口115的端部，在电动伸缩杆处于伸长状态时，清理件155的端部可伸至出口117的外侧，以将清理物推到存储件157内。
46.请参照图2和图3，在本实施例中，清理件155包括连接部159、连接杆161和清理部163，清理部163和连接部159设置在连接杆161的两端，连接杆161的尺寸小于管道151的内径，连接部159用于和电动伸缩杆的伸缩端链接，清理部163呈环状，外径和刚玉管113的内径匹配。从而可以在cvd炉110工作过程中就可以实现对刚玉管113内部的清理，而不会被连接杆161和清理部163堵塞进口115流入含碳元素气体和催化剂气溶胶。
47.在本实施例中，连接杆161由陶瓷制成。当然，在本技术的另外一些实施例中连接杆161也可以由其他材料制成。
48.在本实施例中，存储件157包括清理部163和连接管道167，连接管道167的一端与出口117连通，另一端向下呈90
°
弯折与存储桶连接，从而在清理件155将清理物推至管道151的弯折部后清理物会在重力的作用下掉落在存储桶中。
49.在本实施例中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括催化剂制备组件170和含碳元素气体输送组件180，所述催化剂制备组件170和所述含碳元素气体输送组件180均与所述管道151连通，所述催化剂制备组件170用于制备所述催化剂气溶胶，所述含碳元素气体输送组件180用于向所述cvd炉110内输送所述含碳元素气体。
50.本实施通过设置催化剂制备组件170和含碳元素气体输送组件180，从而可以实现由催化剂制备直至完成碳材料制备的全过程，使得碳材料的制备更加方便。
51.在本实施例中，催化剂制备组件170包括反应仓171、第一电极172、第二电极173和聚焦超声换能器174，所述第一电极172和所述第二电极173均可移动地安装于所述反应仓171，所述第一电极172位于所述反应仓171内的一端设置有承载盘175，所述承载盘175用于承载催化剂，所述第一电极172和所述第二电极173放电可使所述催化剂形成颗粒状催化剂，且所述聚焦超声换能器174设置于所述承载盘175的上方，以细化所述颗粒状催化剂，所述反应仓171设置有载流进气口176，所述载流进气口176用于向反应仓171通入载流气体以使所述颗粒状催化剂形成催化剂气溶胶，并流向所述cvd炉110内。
52.需要说明的是，一般情况下载流气体为氮气、氩气等惰性气体。
53.在本实施例中，第一电极172和第二电极173通过千分尺177安装在反应仓171，从而可以通过千分尺177调节第一电极172和第二电极173，使得第二电极173可对块状的催化剂放电，使得块状的催化剂形成颗粒状催化剂。聚焦超声换能器174再通过超声作用将颗粒状催化剂细化成粉末状催化剂，从而再通过载流气体形成催化剂气溶胶，将催化剂粉末吹入cvd炉110中。
54.在本实施例中，反应仓171与cvd炉110通过管道151连接，含碳元素气体输送组件
180为设置在管道151上的三通181，气源连接在三通181的一个接口，从而通过管道151将含碳元素气体和催化剂气溶胶通入cvd炉110中。含碳元素气体可以是乙炔、甲烷等。
55.在本实施例中，反应仓171为双层结构，催化剂制备组件170还包括冷却组件179，冷却组件179设置在反应仓171，冷却组件179用于向反应仓171的双层结构内供应换热介质以实现对反应仓171的降温。
56.请参照图1和图2，在本实施例中，为了能够直观的有反应仓171的外侧观察到反应仓171的内的情况，反应仓171设置有观察窗178。
57.为使催化剂气溶胶和含碳元素气体混合更加充分，在本实施例中，电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括混合组件190，所述混合组件190具有进气口191和出气口193，所述催化剂制备组件170和含碳元素气体输送组件180均与所述进气口191连通，所述出气口193与所述管道151连通，所述混合组件190用于对所述催化剂气溶胶和所述含碳元素气体进行混合。
58.在本实施例中，所述混合组件190包括壳体195和涡流风扇197，所述涡流风扇197安装在所述壳体195内，所述进气口191和所述出气口193设置于所述壳体195相对的两侧。
59.本实施例通过设置涡流风扇197从而可以利用涡流风扇197形成涡旋将催化剂气溶胶和含碳元素气体混合均匀。
60.请参照图1和图2，在本实施例中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括收集组件210，所述收集组件210包括收纳仓211和滤芯213，所述收纳仓211连接于连接管，所述收纳仓211具有安装腔215和沉积腔217，所述滤芯213设置于所述安装腔215，所述滤芯213用于固气分离，所述沉积腔217位于所述滤芯213的下方，所述沉积腔217用于存储固态材料。
61.本实施例通过设置收集组件210可以方便的将制备碳材料收集在沉积腔217内。
62.在本实施例中，所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括抽真空泵230，所述抽真空泵230连接于所述催化剂制备组件170，所述抽真空泵230用于给所述电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100抽真空。
63.本技术通过增加抽真空泵230可以在制备碳材料前将电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100中的空气抽出，从而可以方便的碳材料的制备。
64.需要说明的，在本实施例中，各个组件之间均是通过金属管道151和真空法兰连接。
65.在本实施例中，电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100还包括压力表240，压力表240用于读取反应仓171的压力。
66.综上所述，本发明实施例提供的电火花合成催化剂的声悬浮cvd制备碳材料一体化装置100的工作原理和有益效果包括：
67.本实施例通过在cvd炉110安装超声悬浮装置130，利用超声悬浮装置130产生的驻波原理克服催化剂气溶胶中颗粒物的重力，从而可以让催化剂气溶胶中的颗粒能够悬浮在cvd炉110内，从而可以增大含碳元素气体与催化剂气溶胶中颗粒物的接触面积，从而可以提高催化效率，有利于碳材料的制备。同时，也可以改善催化剂气溶胶中的颗粒贴在cvd炉110的壁面，从而可以提升cvd炉110的使用效果。
68.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。