Реактор для синтеза углеродных нанотрубок

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Филатов Сергей Александрович Долгих Михаил Николаевич Кучинский Георгий Станиславович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Реактор для синтеза углеродных нанотрубок, содержащий герметичную камеру, нагревательное устройство с контролером температуры, систему подготовки исходных реагентов, сборник продукта реакции, систему откачки отработанных газов, а также систему фильтрации выхлопных газов, отличающийся тем, что сборник продукта реакции выполнен подвижным и снабжен подложкой в виде пластины, а система подготовки исходных реагентов включает контейнер с катализатором, снабженный механизмом перемещения внутри камеры. 2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что механизм перемещения контейнера с катализатором выполнен в виде подвижного штока с уплотнением.(56) 1. . , . , , . , . , . , , . .. //. 1999. . 303. . 467-474. Полезная модель относится к нанотехнологиям, в частности к синтезированию углеродных нанотрубок на подложках в специальных камерах, и может найти применение для получения углеродных нанотрубок различных типов и диаметров. Известен реактор для синтеза углеродных нанотрубок, который выполнен в виде герметичной камеры, содержащий нагревательное устройство, расположенное вокруг камеры и обеспечивающее необходимую температуру в зоне разогрева. Управление температурой в камере осуществляется с помощью контролера температуры. Внутрь камеры с одной ее стороны вводятся реагенты, с другой - сборник продукта синтеза. Реактор снабжен системой подготовки исходных реагентов, необходимых для обеспечения процесса синтеза,причем в качестве катализатора используют ферроцен, и системой откачки отработанных газов, образующихся в процессе синтеза, что обеспечивает необходимое остаточное давление внутри камеры, а также системой, фильтрующей откачиваемые выхлопные газы 1. Однако в известном реакторе синтезируются в основном многостенные углеродные нанотрубки диаметром 25-50 нм на поверхности камеры, что требует их последующего съема, усложняющего их дальнейшее использование. Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение управляемого процесса синтеза одностенных или многостенных углеродных нанотрубок заданного диаметра, закрепленных на поверхности пластин из материалов, требуемых для дальнейшего использования. Задача решается следующим образом. В известном реакторе для синтеза углеродных нанотрубок, содержащем герметичную камеру, нагревательное устройство с контролером температуры, систему подготовки исходных реагентов, сборник продукта реакции, систему откачки отработанных газов, а также систему фильтрации выхлопных газов, согласно предлагаемому техническому решению, сборник продукта реакции выполнен подвижным и снабжен подложкой в виде пластины, на которой происходит синтезирование закрепленных одностенных и многостенных углеродных нанотрубок различных диаметров. Таким образом, положение сборника с подложкой в зоне разложения углеводорода и установленная температура сборника определяют преимущественный рост нанотрубок одного типа и диаметра, а система подготовки исходных реагентов включает контейнер с катализатором, снабженный механизмом перемещения внутри камеры. Кроме того, механизм перемещения контейнера с катализатором выполнен в виде подвижного штока с уплотнением. На фигуре показана схема предлагаемого реактора для синтеза углеродных нанотрубок. Камера 1 выполнена герметичной, размещена внутри нагревательного устройства 2 и снабжена сборником 3 продукта реакции, выполненным подвижным с подложкой 4 для синтеза закрепленных углеродных нанотрубок. В камере 1 с другой ее стороны расположена система подготовки исходных реагентов, включающая контейнер 5 с находящимся в нем катализатором, который снабжен механизмом перемещения 6 вдоль оси камеры,представляющий собой подвижный шток с уплотнением. В качестве катализатора использованы пары ферроцена, образующиеся при введении контейнера в зону разогрева, обеспечивающие более интенсивный процесс разложения углеводорода и роста одностенных и многостенных углеродных нанотрубок. Система также включает регулятор 7 расхода исходных газов, которая обеспечивает необходимый расход и парциальное давление газов в камере реактора. Система 8 откачки отработанных газов снабжена фильтром 9, через ко 2 28672006.06.30 торый осуществляется откачка продуктов реакции. Для осуществления контроля температуры в камере 1 нагреватель 2 снабжен контролером температуры 10, а для регулирования температуры сборника 3 продукта реакции используется теплоотвод 11. Реактор работает следующим образом. Необходимые для реакции газы (изобутан, аргон) поступают в камеру 1 из регулятора 7 расхода исходных газов, где регулируется их расход и парциальное давление. Для оптимизации процесса по скорости роста углеродных нанотрубок (около 0,1 мкм/мин) в зону разогрева в контейнере 5 вводят катализатор в виде порошка ферроцена, пары которого при нагреве смешиваются с исходными газами. При этом необходимая температура такого катализатора 180-300 С обеспечивается глубиной введения контейнера 5 в зону разогрева механизмом перемещения 6, который выполнен в виде подвижного штока с уплотнением. Протекая по камере 1, вдоль зоны нагрева, рабочая смесь газов достигает температуры разложения углеводорода, которая обеспечивается нагревателем 2 при температуре 600-900 С. В зону максимальной концентрации активного углерода вводится сборник 3 продукта реакции с закрепленной на его конце подложкой 4, на которой происходит синтезирование и закрепление углеродных нанотрубок, причем изменением положения сборника 3 с подложкой 4 вдоль оси камеры изменяют условия для оптимального роста многостенных или одностенных углеродных нанотрубок различных типов и диаметров. Возможность изменения температуры подложки 4 в интервале 450-750 С обеспечивается нагревателем 2 и теплоотводом 11 сборника 3 продукта реакции. Остаточные продукты реакции в виде отработанных газов с помощью системы 8 откачиваются через фильтр 9, при этом обеспечивается остаточное давление в камере 1 в интервале 100-1000 кПа. Таким образом, предлагаемый реактор с подвижными сборником продуктов реакции и подвижным контейнером с катализатором обеспечивает управляемый процесс синтеза одностенных или многостенных углеродных нанотрубок заданного диаметра, закрепленных на поверхности пластин из материалов, требуемых для дальнейшего использования. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3