TW200811307A - Apparatus for trapping carbon nanotube and system and method for producing the carbon nanotube - Google Patents

Description

200811307 九、發明說明： I：發明所屬之技術領域】 相關申請案之交互參照 本美國非臨時專利申請案請求韓國專利中請案 5 2006-75678，申請日2006年8月10日遵照35 U.SC§119之優 先權，該案全文以引用方式併入此處。 發明背景 本發明係關於碳奈米管製造系統。更特別，本發明係 針對一種碳奈米管捕集裝置及方法，及_種後奈米管製造 10 系統及方法。 【先前技術3 碳奈米管為碳原子所形成之中空圓桎體。石炭奈米管之 外觀為捲起的石墨管外觀，碳奈米管之壁為六角碳環，經 常係以大型管束形成。 15 根據該結構具有金屬傳導性及半導體傳導性，碳奈米 管今日變成欲應用於多項技術領域之最高候選者，該等技 術領域諸如電化學儲存裝置（例如二次電池或超級電容器） 之電極、電磁屏障、場發射顯示器或氣體感測器。 近年來，碳奈米管之製造方法被分成五大類至六大 20類，諸如雷射放電法、雷射沉積法及熱解化學氣相沉積（熱 解CVD)法。特別主要使用熱解cvd。於熱解CVD中，碳奈 米官長在金屬催化劑上，同時供給含碳氣體至高溫反應管 内部。熱解CVD係使用金屬催化劑粒子於由600°C至1000 Cfe圍之溫度進行。於高溫反應管中所製造的長在金屬催 5 200811307 化劑上之石反奈米管係使用安裝於排氣管路之背過濾器收 集。 但使用背過濾器之碳奈米管收集方法由於背過濾器之 孔洞被阻塞而有收集效能降低的問題。因此背過濾器之孔 5隙必須定期使用氣體或使用振動板來解除阻塞。因背過濾 器無法於高溫使用，故須安裝冷卻系統於背過濾器的前端 來冷卻包括碳奈米管之排放氣體至低於2001。 t發明内容2 發明概要 1〇 本發明之具體實施例提供一種用來捕集於一反應管所 產生之奴奈米管之碳奈米管捕集裝置。於一具體實施例 中’該碳奈米管捕集裝置包括：包括一内部空間之一殼體， 包括長在一金屬催化劑上之碳奈米管之一排放氣體通過該 内部空間；以及安裝於該殼體且組配來經由使用磁力而捕 15集長在該金屬催化劑上之碳奈米管之一磁性區段。 本發明之具體實施例提供一種碳奈米管製造系統。於 一具體實施例中，該碳奈米管製造系統包括：一反應管， 其中供給金屬催化劑及含碳氣體，而碳奈米管係藉熱解而 長在該金屬催化劑上；一排氣管路，順著該排氣管路包括 2〇長在該金屬催化劑上之碳奈米管之一氣體由該反應管排 氣，以及安裝於该排氣管路上且組配來經由使用磁力捕等 長在該金屬催化劑上之該碳奈米管之一碳奈米管捕集裝 置。 本發明之具體實施例提供碳奈米管捕集方法。於一具 6 200811307 體實施射，《奈料輕方法包括：排放包括長在該 金屬催化舜丨上之奴奈米管之—廢氣；以及經由使用磁力來 由該廢氣中捕集該碳奈米管。 於另 力於-捕集部分由該廢氣中捕⑽碳奈米管。 圖式簡單說明 具體實_巾，財奈錄製造方法包括：供 給一金屬催化劑及—含t氡體於—反應管，以及藉埶解生 長礙奈米管㈣金屬催_上；由該反應管賊包括長在 該金屬催化劑上之—碳奈米管之-廢氣；以及經由使用磁

10 第1圖為一組配圖顯干柄祕j a 口硝不根據本發明之碳奈米管製造系 統之一實例。 第2®為碳奈米管捕集裳置之透視圖。 第3圖為第2圖所示碳奈米管捕集裝置内部之剖面圖。 第4A圖及第4B圖顯示磁性區段之周面。 15 f 5圖及第6圖顯示碳奈米管捕集裝置，此處-磁性區 段係安裝於殼體外侧。 第7圖顯示碳奈米管捕集裝置之另—個實例，此處一磁 性區段係安裝於殼體外側。 第8圖為碳奈米管製造系統之流程圖。 20 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 現在將參照附圖於後文更完整說明本發明，附圖中， 顯不本發明之較佳實施例。但本發明可以多種其它形式實 也本叙月、、、巴非解#為囿限於此處所陳述之實施例。反而 200811307 提供此等實施例讓本文揭示更徹底更完整，且完整傳遞本 發明之範圍予熟諳技藝人士。各圖間類似的元件符號表示 類似的元件。 根據本發明之碳奈米管製造系統ίο之一實例舉例說明 5 於弟1圖。碳奈米官製造糸統1 〇採用流化方法，包括一破奈 米管製造裝置100及一碳奈米管捕集裝置200。 碳奈米管製造裝置1⑻包括一反應室no、一來源供應 部120、及一排氣管路130。液態或氣態含碳氣體(後文稱作 為「碳源」）及金屬催化劑供給反應室110。碳源於氣體狀 1〇 態下經熱解來成功地製造碳奈米管。 反應室110包括由防熱材料諸如石英或石墨製成之反 應管112。反應管112粗略具有豎圓柱體形狀。一加熱單元 118係安裝於反應管112内部用來將該反應管H2加熱至一 製程溫度。加熱單元118可為設置來環繞反應管112之外壁 15 之熱盤管。於一製程中，反應管112係維持於由5〇〇°C至5,000 °C範圍之高溫，碳源、金屬催化劑及流體氣體供給反應管 112内部。 排氣管路130係連接至反應管112頂端。包括於反應管 112内部製造的長在金屬催化劑上之一碳奈米管之廢氣經 20 由排氣管路130排放。廢氣經由排氣管路130供給碳奈米管 捕集裝置200。一排氣單元132諸如真空幫浦或一排氣扇係 安裝於排氣管路130來強制性排放廢氣。 來源供應部120包括一催化劑供應單元122、一來源氣 體供應單元124及一流體氣體供應單元126。碳源可為選自 200811307 於由乙炔、乙烯、甲烧、苯、二甲苯、環己烧、一氧化碳 及一氧化碳所組成之組群中之至少一者。金屬催化劑為具 有磁性物質諸如鐵(Fe)、鈷及鎳之有機金屬化合物。金屬催 化劑之供應方式可經由將5亥金屬催化劑注入反康管1 1 2内 5部，或將該反應管112的底面饋進以該金屬催化劑。流體氣 體可為惰性氣體諸如氣、氮及氬。若有所需，流體氣體可 為諸如曱烧、乙炔、一氧化碳及二氧化碳之氣體，或為氬 氣與前述氣體中之一者之混合氣體。 流體氣體及金屬催化劑係由反應管112之底部注入。當 10 礙奈米管於金屬催化劑上成長時，碳奈米管之重量增加， 故碳奈米管於重力方向落下。流體氣體阻止碳奈米管於重 力方向落下。因流體氣體經供給來形成流體化區，碳源與 金屬催化劑之反應經活化。此外，流體氣體用來攜帶長在 金屬催化劑上的碳奈米管至碳奈米管捕集裝置200。 15 不僅需要前述氣體來製造破奈米管，同時也需要多種 輔助氣體。例如需要諸如氫氣之輔助性反應氣體。如此， 來源供應部120進一步包括組配來供給氫氣之一氫氣供應 單元128。 如前文說明，流體氣體係以適當流速供給入反應管112 2〇 内部，來於反應管112内部形成一流化區。如此，碳源與金 屬催化劑之反應被活化，於反應管112内部製造之長在金屬 催化劑上之碳奈米管係連同該流體氣體一起經由排氣管路 130而被攜帶至碳奈米管捕集裝置200。 第2圖為碳奈米管捕集裝置200之透視圖，第3圖為剖面 9 200811307 圖顯示碳奈米管捕集裝置200之内部。 參照第2圖及第3圖，碳奈米管捕集裝置200係安裝於排 氣管路130上，使用磁力而由廢氣中捕捉長在金屬催化劑上 之碳奈米管。碳奈米管捕集裝置200包括一殼體210、——磁 5性區段220及一注入喷嘴230。多個碳奈米管捕集裝置2〇〇係 安裝於排氣管路130。碳奈米管捕集裝置2〇〇可彼此平行安 裝來即使當於碳奈米管製造裝置1〇〇中連續製造碳奈米管 時可連續捕集長在金屬催化劑上之碳奈米管。選擇性地， 碳奈米管捕集裝置200可彼此串列安裝來提高捕集效率。 10 殼體210包括一内部空間216。經由其中流入廢氣之一 流入埠口 212及經由其中流出廢氣之一流出埠口 214係連接 於該内部空間216。磁性區段220係設置於殼體21〇。殼體21〇 被分割成一捕集部211a，其中捕集長在金屬催化劑上之碳 奈米官；及一收集部211b，其中收集且積聚所捕集的碳奈 15米管。雖然未顯示於附圖，收集部211b可藉一開/閉件而與 捕集部211a隔開。換言之，收集部2111>可隔開，同時收集 長在金屬催化劑上之碳奈米管；且可開放來收集暫時所捕 集之碳奈米管。殼體210係由透明材料製造來允許操作員驗 證殼體210之内部狀態。此外，殼體21〇係由非磁性材料製 20成，來防止磁性區段22〇所產生之磁力施加至外側。 磁性區段220係於殼體21〇内垂直安裝於捕集部2Ua。 磁性區段22G包括-電磁鐵。如第4A圖及第4B圖所示，磁 性區段22G之周面222可為不均勻或格網形狀來增加吸附面 積及長在金屬催化劑上之碳奈米管之吸附性。碳奈米管捕 10 200811307 集裝置200包括供應電力至磁性區段22〇之該電磁鐵之一電 源部件290，及用來供給電力或切斷電力予該磁性區段22〇 之一開關292。 現在將說明捕集與收集長在金屬催化劑上之碳奈米管 5 如下。 長在金屬催化劑上之碳奈米管係連同廢氣進入殼體 210之内部空間216。於該内部空間216之碳奈米管接觸垂直 安裝於該内部空間216中央之磁性區段220，金屬催化劑藉 磁力而吸附至磁性區段220之周面222。換言之，長在金屬 1〇催化劑上之碳奈米管藉磁力而捕集於磁性區段220之周面 222，只有不含碳奈米管之廢氣經由流出埠口214排放。捕 集於磁性區段220之碳奈米管之數量愈大，則捕集效率愈 低。因此理由故，磁性區段220須進行定期收集步驟來提升 捕集效率。供給磁性區段22〇之電源暫時被切斷來讓磁力消 15失。如此’所捕集之碳奈米管掉落而被收集於收集部211b。 注入噴嘴230經組配來將諸如空氣等氣體注入殼體21〇 内部，讓由磁性區段220所捕集之碳奈米管積聚於收集部 2llb。注入噴嘴230係安裝於殼體210上，面對收集部211b， 將空氣朝向磁性區段2 2 〇之周面注入。當將所捕集之碳奈米 2〇官收集至收集部211b時使用注入喷嘴230。當磁性區段220 之磁力消失時，使用注入喷嘴來進行長在金屬催化劑上之 碳奈米管之收集。 因碳奈米管被連續捕集於兩個碳奈米管捕集袭置内， 故石炭奈米管係於碳奈米管製造裝置中連續製造。如此可達 11 200811307 成碳奈米管之量產。 ‘ 第5圖及第6圖顯示一種碳奈米管捕集裝置200a，此處 - 磁性區段係安裝於殼體外側。碳奈米管捕集裝置200a係安 裝於排氣管路130上。碳奈米管捕集裝置200a包括一殼體 5 210a、一磁性區段220a及一注入喷嘴230。 殼體210a包括一内部空間216。流入埠口 212及流出埠 , 口 214係與該内部空間216連通。殼體210a被分割成一捕集 部211a，其中捕集長在金屬催化劑上之碳奈米管；及一收 ® 集部211b，其中收集及積聚所捕集之碳奈米管。磁性區段 10 220a係安裝於該捕集部211a之外周面上。殼體210有一驗證 窗，用來允許操作員驗證殼體210之内部狀態。此外，殼體 210係由非磁性材料製成，俾便防止由磁性區段220所產生 的磁力施加至外側。雖然未顯示於附圖，磁性區段220之内 周面2i2為不均勻或為格網形狀來增加長在金屬催化劑上 • 15 之碳奈米管之吸附面積及吸附性。 : 磁性區段220a設置成環繞該捕集部211a。磁性區段 ^ 220a包括一磁鐵。碳奈米管捕集裝置200a包括一電源部件 290，用來供應電源至磁性區段220a之電磁鐵；及一開關 292，用來供應電源或切斷電源予該電磁鐵。 2〇 碳奈米管之捕集及收集係如前文說明進行。 長在金屬催化劑上之碳奈米管連同廢氣一起輸入至該 殼體210之内部空間216。於内部空間216中之碳奈米管與界 定該殼體210a之捕集部211a之内側表面213接觸。内侧表面 213藉磁性區段220a所產生之磁力獲得磁性。如此，屬於磁 12 200811307 性物質之金屬催化劑吸附至該捕集部21 la之内侧表面213 上。換言之，長在金屬催化劑上之碳奈米管藉磁力而被捕 集至内侧表面213,唯有不含碳奈米管之廢氣係經由流出埠 口 214排放。捕集於内侧表面213之碳奈米管係經由收集步 5 驟積聚。 注入噴嘴230經組配來將空氣注入殼體21〇a内部，讓捕 集於殼體210a之内侧表面213之碳奈米管係積聚於收集部 211b。注入喷嘴230安裝於殼體21〇a上面對收集部2Ub朝向 殼體210a之内周面注入空氣。 1〇 第7圖顯示碳奈米管捕集裝置200b之另一個實例，此處 磁性區段係安裝於殼體外側。碳奈米管捕集裝置2〇〇b包括 一殼體210a，其具有廢氣順著其中通過之一路徑；磁性區 段220a分別安裝於殼體210a之上端及下端；及安裝於殼體 210 a之一側用來將空氣於廢氣之流動方向注入之一注入喷 15 嘴230 〇 殼體210a包括一内部空間216。流入埠口 212及流出埠 口 214係與該内部空間216連通。磁性區段22〇b係設置於殼 體210a。殼體210a可被劃分為一捕集部2lla ;其中捕集長 在金屬催化劑上之破奈米管；及設置於該捕集部2lla後端 2〇 之一收集部211b，其中所捕集之碳奈米管經收集且經積 聚。收集部211b設置成比捕集部211a更低，來防止積聚於 收集部211b之碳奈米管回流至捕集部211a。為了允許磁性 區段220b之磁力到達内部空間216，内部空間216須夠寬來 提升捕集效率。安裝於殼體21〇a之上端及下端之磁性區段 13 200811307 22〇a彼此相對應。若碳奈米管捕集裝置唯有經由使用 磁鐵_力來捕集長在金屬催化劑上之碳奈米管，則該裝 置可壬夕種幵7狀。雖然並未顯示於附圖，一刷件可安裝於 碳奈=管捕集裝置2_來刷取掉落至殼體雇底部上之碳 5不米：及收集所刷取之碳奈米管於該收集部川七。 現在將明使用根據本發明之碳奈米管製造裝置之碳 奈米管製造方法之細節如下。 參照第1圖及第8圖，碳奈米管製造方法包括生長步驟 S110、排氣步驟S120、捕集步驟313〇及精製步驟sl5〇。 10 ⑥生長步驟S11G巾，金屬催彳b劑及來源氣體供給反應 官’碳奈米官藉熱解而長在金屬催化劑上。於排氣步驟sl2〇 中’包括於反應管212中所製造之包括碳奈米管之廢氣係沿 排氣官路230排氣。於捕集步驟sl3〇中，於安裝於廢氣排放 路徑之一碳奈米管捕集裝置2〇〇中，使用磁力捕集碳奈米 15管。於收集步驟S140中，磁力消失來將捕集於捕集部211a 之碳奈米管收集至設置於該捕集部21 la下方之一收集部 211b。於收集步驟S140中，空氣係經由注入喷嘴230注入來 將該所捕集之碳奈米管攜帶至收集部211b。於精製步驟 S150中，金屬催化劑及污染物(例如非晶形碳奈米管等）由所 2〇 收集之碳奈米管移除。 已經於本發明之具體實施例中說明使用烴熱解之流體 層層反應室（此處碳源經熱解來於金屬催化劑上成長碳奈 米管）。但根據本發明之系統100之碳奈米管製造裝置可調 整配合各種製造方法，諸如放電法、雷射沉積法、電漿化 14 200811307 學氣相沉積法、熱化學氣相沉積法、電解法、及焰組成法。 根據本發明，達成碳奈米管之量產。此外，碳奈米管 係連續製造來改良系統之操作逮率。因無需冷卻系統來捕 集碳奈米管，故系統之尺寸可縮小。此外，可改良碳奈米 5 管之捕集速率。

雖然已經就附圖中舉例說明之本發明之實施例說明本 發明，但非限制性。熟諳技藝人士顯然易知未脖離本發明 之範圍及精髓’可做出多項取代、修改及變化。 C圓式簡單明】 10 圖為-組配圖顯示根據本發明之碳奈米管製造系 統之一實例。 第2圖為碳奈米管捕集裝置之透視圖。 第3圖為第2圖所不碳奈米管捕集裝置内部之剖面圖。 第4A圖及第4B圖顯示磁性區段之周面。 15 第5圖及第6圖顯示碳奈米管捕集裝置，此處一磁性區 段係安裝於殼體外側。 第7圖顯示碳奈米管捕集裝置之另一個實例，此處一磁 性區段係安裝於殼體外側。 第8圖為碳奈米管製造系統之流程圖。 20 【主要元件符號說明】 10.. .碳奈米管製造系統 100.. .碳奈米管裝置 110.. .反應室 112.. .反應管 118…加熱單元 120…來源供應部 122···催化劑供應單元 124…來源氣體供應單元 15 200811307 126...流體氣體供應單元 216…内部空間 128...氫氣供應單元 220、220a-b...磁性區段 130...排氣管路 222...周面、内堝面 132…排氣單元 230..•注入喷嘴 200、200a-b...碳奈米管捕集裝置 290...電源部件 210...殼體 292...開關 210a...殼體 S110...成長步驟 21 la…捕集部 S120...排氣步驟 211b…收集部 S130...捕集步驟 212…流入埠口 S140…收集步驟 213…内侧表面 S150…精製步驟 214…流出埠口 16

Claims (1)

1. 200811307 十、申請專利範圍： 1. 一種捕集於一反應管產生之碳奈米管之碳奈米管捕集 裝置，包含： 包括一内部空間之一殼體，包括長在一金屬催化劑 上之碳奈米管之一排放氣體通過該内部空間；以及 安裝於該殼體且組配來經由使用磁力而捕集長在 該金屬催化劑上之碳奈米管之一磁性區段。 2. 如申請專利範圍第1項之碳奈米管捕集裝置，其中該磁 性區段包括一電磁鐵。 3·如申請專利範圍第1項之碳奈米管捕集裝置，進一步包 含·· 組配來收集由該磁性區段所捕集之碳奈米管之一 收集部。 4·如申請專利範圍第3項之碳奈米管捕集裝置，進一步包 含： 組配來將氣體注入該殼體内部，讓所捕集之碳奈米 管積聚於該收集部之一注入喷嘴。 5. —種碳奈米管製造系統，包含： 一反應管，其中供給金屬催化劑及含碳氣體，而碳 奈米管係藉熱解而長在該金屬催化劑上； 一排氣管路，順著該排氣管路包括長在該金屬催化 劑上之碳奈米管之一氣體由該反應管排氣；以及 安裝於該排氣管路上且組配來經由使用磁力捕集 長在該金屬催化劑上之該碳奈米管之一碳奈米管捕集 17 200811307 裝置。 - 6. 如申請專利範圍第5項之碳奈米管製造系統，其中該碳 奈米管捕集裝置包含具有一内部空間之一殼體，其中廢 氣經此流入之一流入埠口及廢氣經此流出之一流出埠 口係與該内部空間連通；以及 一安裝於該殼體内部且包括一電磁鐵之一磁性區 段。 7. 如申請專利範圍第6項之碳奈米管製造系統，其中該碳 奈米管捕集裝置進一步包含： 組配來將氣體注入該磁性區段之一表面，讓吸附至 該磁性區段表面之該碳奈米管掉落之一注入噴嘴。 8. 如申請專利範圍第5項之碳奈米管製造系統，其中該碳 奈米管捕集裝置包含具有一内部空間之一殼體，其中廢 氣經此流入之一流入埠口及廢氣經此流出之一流出埠 口係與該内部空間連通；以及 一安裝來環繞該殼體讓長在金屬催化劑上之碳奈 米管被捕集於該殼體之一内周面之一磁性區段，以及包 括，其中該磁性區段具有一電磁鐵。 9. 如申請專利範圍第8項之碳奈米管製造系統，其中該碳 奈米管捕集裝置進一步包含： 組配來將氣體注入該殼體内部，讓捕集於該殼體内 周面之碳奈米管掉落之一注入噴嘴。 10. 如申請專利範圍第8項之碳奈米管製造系統，其中該殼 體包括一收集埠，其係組配來當所捕集之碳奈米管因磁 18 200811307 鐵之磁力喪失而掉落時由該電磁鐵所捕集之碳奈米管。 11. 如申請專利範圍第10項之碳奈米管製造系統，其中該碳 奈米管捕集裝置進一步包含： 組配來將氣體注入該殼體内部，讓當電磁鐵之磁力 消失時，由該電磁鐵所捕集之碳奈米管係積聚於該收集 部。 12. 如申請專利範圍第8項之碳奈米管製造系統，其中兩個 碳奈米管捕集裝置係串聯或並聯安裝於該排氣管路。 13. —種破奈米管捕集方法，包含： 排放包括長在該金屬催化劑上之碳奈米管之一廢 氣；以及經由使用磁力來由該廢氣中捕集該碳奈米管。 14. 如申請專利範圍第13項之碳奈米管捕集方法，進一步包 含： 喪失該捕集部之磁力來讓所捕集之碳奈米管掉落 至該收集部。 15. —種碳奈米管製造方法，包含： 供給一金屬催化劑及一含碳氣體於一反應管，以及 藉熱解生長碳奈米管於該金屬催化劑上； 由該反應管排放包括長在該金屬催化劑上之一碳 奈米管之一廢氣；以及 經由使用磁力於一捕集部分由該廢氣中捕集該碳 奈米管。 16. 如申請專利範圍第15項之碳奈米管製造方法，進一步包 含一收集步驟，其中於該捕集部所捕集之碳奈米管被收 19 200811307 集至一收集部，其中該收集步驟包含捕集部之磁力喪失 來讓所捕集之碳奈米管掉落至該收集部。 Π·如申請專利範圍第15項之碳奈米管製造方法，進一步包 含一收集步驟，其中於該捕集部所捕集之碳奈米管被收 集至一收集部，其中該收集步驟包含注入空氣來將該碳 奈米管由該捕集部攜帶至該收集部。 18·如申請專利範圍第15項之碳奈米管製造方法，其中該磁 力係由一電磁鐵所提供。 19_如申請專利範圍第18項之碳奈米管製造方法，其中該捕 集部之磁力係疋期關閉來提升捕集效率，以及收集長在 金屬催化劑上之碳奈米管。 20·如申請專利範圍第16項之碳奈米管製造方法，進一步包 含： 由收集於該收集部之該碳奈米管清除金屬催化劑。 20