CN103896245B - 反应器及生长碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应器，其包括：一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口与所述进气口间隔设置；其中，反应器进一步包括一碳纳米管层设置于所述进气口及出气口之间，所述碳纳米管层悬空设置于所述反应室中以承载催化剂层。本发明进一步提供一种反应器作为生长装置生长碳纳米管的方法。

Description

反应器及生长碳纳米管的方法

技术领域

本发明涉及一种反应器，以及采用所述反应器生长碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。

由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注。目前以碳纳米管结构作为生长基底，应用于反应器中生长新的结构逐渐成为新的研究热点，逐渐引起了广泛关注。

然而，由于碳纳米管结构中碳纳米管自身条件限制，如尺寸较小等，如何设置所述碳纳米管结构并其作为生长基底并在表面生长出新的结构一直是难以克服的难题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种碳纳米管层作为生长基底的反应器。

一种反应器，包括：一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口，反应气体从所述进气口通入流向所述出气口，其中，反应器进一步包括一碳纳米管催化剂复合层设置于反应室内部，位于所述进气口及出气口之间，该碳纳米管催化剂复合层具有多个微孔，所述碳纳米管催化剂复合层的表面与所述反应气体的流动方向形成一夹角，使所述反应气体在反应室内流动过程中穿过所述碳纳米管催化剂复合层的多个微孔。

一种采用所述反应器生长碳纳米管的方法，主要包括以下步骤：提供一所述反应器；向所述反应室内通入碳源气体与载气的混合气体；加热所述碳纳米管催化剂复合层以生长碳纳米管。

相对于现有技术，本案中所述反应器中采用碳纳米管层作为生长基底，由于所述碳纳米管层中的碳纳米管均匀分布且具有较大的比表面积，且所述碳纳米管层具有多个微孔，因此催化剂颗粒可以牢固的固定沉积于所述碳纳米管层表面或嵌入所述碳纳米管层中，并使反应气体贯穿所述碳纳米管层，从而能够有效的防止其团聚，并提高的反应效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例的提供的反应器结构示意图。

图2为图1所示反应器中碳纳米管催化剂层的结构示意图。

图3为本发明第一实施例中所述反应器中碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

图4为图3所示的碳纳米管拉膜中碳纳米管片段的结构示意图。

图5为本发明所述的反应器中包括多层碳纳米管膜的结构示意图。

图6为本发明所述反应器中非扭转的碳纳米管线的结构示意图。

图7为本发明所述反应器中扭转的碳纳米管线的结构示意图。

图8为应用图1所述反应器生长碳纳米管的结构示意图。

图9为向所述反应器中的碳纳米管催化剂层加热后的照片。

图10为本发明第二实施例提供的反应器的结构示意图。

图11为本发明第二实施例提供的反应器生长碳纳米管的结构示意图。

图12为本发明第三实施例提供的反应器的结构示意图。

主要元件符号说明

反应器	10，20，30
		进气口	11
出气口	12
		反应室	13
碳纳米管催化剂复合层	14
		催化剂层	15
支撑体	16
		电源	140
微孔	142
		碳纳米管片段	143
碳纳米管	145
		第一电极	144
第二电极	146

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。

请参阅图1，下面结合附图及多个实施例对所述反应器及其作为生长装置的应用作进一步详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种反应器10，所述反应器10包括一反应室13，一碳纳米管催化剂复合层14及一支撑体16，该碳纳米管催化剂复合层14通过支撑体16固定于反应室13内部。

所述反应室13具有一管壁，所述管壁由化学性质稳定、耐高温的材料制成，如石英、陶瓷、不锈钢等。所述反应室13可为由管壁围成的具有一定长度的管状体，其横截面可为圆形、椭圆形、三角形、四边形，或者其它规则或不规则多边形。所述反应室13具有一进气口11及一出气口12分别设置于所述反应室13沿长度方向上相对的两端。所述反应室13的内径（即横截面的平均跨度）为1厘米～20厘米，优选的，所述反应室13的内径2.5厘米～10厘米，从而能够更加方便的设置碳纳米管催化剂复合层14，并能够提供足够的支撑。所述反应室13的长度为2厘米～50厘米。所述反应室13的直径为2.5厘米，长度为20厘米。

所述碳纳米管催化剂复合层14设置于所述反应室13中，所述碳纳米管催化剂复合层14设置于所述进气口11与所述出气口12之间，并且与所述进气口11及出气口12间隔设置。所述碳纳米管催化剂复合层14的表面与所述反应室13中气流的流动方向形成一夹角α，所述α大于零度小于等于90度。优选的，所述α等于90度，即所述碳纳米管催化剂复合层14表面垂直于所述气流的流动方向，从而更有利于所述气体贯穿所述碳纳米管催化剂复合层14。所述碳纳米管催化剂复合层14的形状及面积可根据所述反应室13的横截面进行选择，以使所述碳纳米管催化剂复合层14能够充分利用所述反应室13内的空间，如所述碳纳米管催化剂复合层14的形状可为圆形、方形、菱形等，也可为其他几何图形，所述碳纳米管催化剂复合层14的表面可为一平面、曲面、折面等。所述碳纳米管催化剂复合层14的面积可为0.5平方厘米至100平方厘米。本实施例中，所述碳纳米管催化剂复合层14的形状为方形，表面为平面且面对进气口11设置，其面积为1平方厘米。所述碳纳米管催化剂复合层14具有多个微孔142，所述微孔142连通所述进气口11及所述出气口12，从而形成多个流通通道。所述碳纳米管催化剂复合层14可为一平面体或曲面体结构，且所述碳纳米管催化剂复合层14悬空设置于所述反应室13中。所述“悬空”是指所述碳纳米管催化剂复合层14位于所述反应室13中管壁之间的部分不与所述反应室13的其他表面接触，且也不与其他物体的表面接触。

所述碳纳米管催化剂复合层14可通过所述支撑体16悬空设置。所述支撑体16的具体形状只要能够起到固定所述碳纳米管催化剂复合层14，且使部分碳纳米管催化剂复合层14悬空设置即可。所述支撑体16的材料可为能够形成一定几何形状的金属材料如金、银、铝等，或绝缘材料如陶瓷等，且在后续的加热过程中能够保持其自身形状。本实施例中，所述支撑体16为一固定于所述反应室13中所述管壁的环状结构，其材料为陶瓷。所述支撑体16也可为一网栅结构，所述网栅结构的边缘固定于所述反应室13的侧壁，中间部分悬空设置于所述反应室13中。可以理解，所述支撑体16为一可选结构，所述碳纳米管催化剂复合层14也可通过其他方式如焊接直接固定于所述反应室13的侧壁，并使的所述碳纳米管催化剂复合层14悬空设置于反应室13中。

所述碳纳米管催化剂复合层14靠近进气口11的表面与所述进气口11相对设置，且当所述碳纳米管催化剂复合层14为一平面体时，所述碳纳米管催化剂复合层14靠近进气口11的表面可基本垂直于所述进气口11的进气方向。可以理解，由于从所述进气口11进入的气体流向并非绝对的一致，可能存在部分对流或湍流等，然而其并不影响所述气流的整体流向。进一步的，当所述碳纳米管催化剂复合层14为曲面体时，通过将碳纳米管催化剂复合层14设置为弯曲状，对于一定容量空间的反应室13内，该反应室13可放置更大面积的碳纳米管催化剂复合层14。

所述碳纳米管催化剂复合层14包括一碳纳米管层及多个催化剂颗粒，所述催化剂颗粒均匀分散与所述碳纳米管层表面。所述碳纳米管层为包括多个碳纳米管的连续的整体结构，该多个碳纳米管沿着基本平行于碳纳米管层表面的方向延伸。所述碳纳米管层中的碳纳米管均匀分布。所述碳纳米管层的厚度为10纳米~100微米，如15纳米、200纳米、1微米。本实施例中，所述碳纳米管层的厚度为100纳米。所述碳纳米管层中的碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或多种，其长度和直径可以根据需要选择。请参阅图2，所述碳纳米管层为一图形化结构，所述“图形化结构”是指所述碳纳米管层具有所述多个微孔142，该多个微孔142从所述碳纳米管层的厚度方向贯穿所述碳纳米管层。所述微孔142可以为多个相邻的碳纳米管围成的微孔或者沿碳纳米管轴向延伸方向延伸呈条形的相邻碳纳米管之间的间隙。所述微孔142为微孔时其孔径（平均孔径）范围为5纳米~100微米，比如10纳米、1微米、10微米、50微米或90微米等。所述微孔142为间隙时其宽度（平均宽度）范围为5纳米~100微米。以下称为“所述微孔142的尺寸”是指孔径或间隙宽度的尺寸范围。所述碳纳米管层中所述微孔和间隙可以同时存在并且两者尺寸可以在上述尺寸范围内不同。所述间隙105的尺寸越小，越容易在后续的生长纳米材料的过程中，固定催化剂颗粒。优选地，所述微孔142的尺寸为5纳米~10微米。进一步地，所述碳纳米管层的占空比为1:100~100:1，如1:10、1:2、1:4、4:1、2:1或10:1。优选地，所述占空比为1:4~4:1。所述微孔142在所述碳纳米管层中均匀分布。

所述碳纳米管层具有如前所述的图形效果的前提下，所述碳纳米管层中的多个碳纳米管的排列方向（轴向延伸方向）可以是无序、无规则，比如过滤形成的碳纳米管过滤膜，或者碳纳米管之间相互缠绕形成的碳纳米管絮状膜等。所述碳纳米管层中多个碳纳米管的排列方式也可以是有序的、有规则的。例如，所述碳纳米管层中多个碳纳米管的轴向均基本平行于所述基底100的且基本沿同一方向延伸；或者，所述碳纳米管层中多个碳纳米管的轴向可有规律性地基本沿两个以上方向延伸。为了容易获得较好的图形效果，本实施例中优选的，所述碳纳米管层中多个碳纳米管沿着基本平行于碳纳米管层表面的方向延伸。

所述碳纳米管层为一自支撑结构，所述催化剂颗粒分散于所述自支撑的碳纳米管层表面形成一自支撑结构的碳纳米管催化剂层14，此时所述碳纳米管层可仅通过所述支撑体16支撑，且在后续生长纳米材料的过程中能够承载催化剂颗粒。其中，所述“自支撑”是指该碳纳米管层不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身状态，即将该碳纳米管层置于（或固定于）间隔特定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管层能够悬空保持自身状态。由于碳纳米管层为自支撑结构，所述碳纳米管层可以直接设置在支撑体16上。所述碳纳米管层可以是一连续的整体结构，也可以是多个碳纳米管线平行排列形成的单层结构。当所述碳纳米管层为多个碳纳米管线平行排列形成的单层结构时，需要在垂直于平行排列方向上提供支撑才具有自支撑能力。进一步的，所述碳纳米管层的多个碳纳米管中在延伸方向上相邻的碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。当并列的相邻碳纳米管之间也通过范德华力相连时所述碳纳米管层的自支撑性更好。

所述碳纳米管层可以是由多个碳纳米管组成的纯碳纳米管结构。即，所述碳纳米管层在整个形成过程中无需任何化学修饰或酸化处理，不含有任何羧基等官能团修饰。所述碳纳米管层还可以为一包括多个碳纳米管以及添加材料的复合结构。其中，所述多个碳纳米管在所述碳纳米管层中占主要成分，起着框架的作用。所述添加材料包括石墨、石墨烯、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、无定形碳等中的一种或多种。所述添加材料还可以包括金属碳化物、金属氧化物及金属氮化物等中的一种或多种。所述添加材料包覆于碳纳米管层中碳纳米管的至少部分表面或设置于碳纳米管层的微孔142内。优选地，所述添加材料包覆于碳纳米管的表面。由于，所述添加材料包覆于碳纳米管的表面，使得碳纳米管的直径变大，从而使碳纳米管之间的微孔142减小。所述添加材料可以通过化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或磁控溅射等方法形成于碳纳米管的表面。

具体地，所述碳纳米管层可以包括碳纳米管膜或碳纳米管线。所述碳纳米管层可以为一单层碳纳米管膜或多个层叠设置的碳纳米管膜。所述碳纳米管层可包括多个相互平行且间隔设置的碳纳米管线。所述碳纳米管层还可以包括多个交叉设置组成网状结构的碳纳米管线。当所述碳纳米管层为多个层叠设置的碳纳米管膜时，碳纳米管膜的层数不宜太少，以能够更好的起到承载基底的作用。优选地，为2层~100层。当所述碳纳米管层为多个平行设置的碳纳米管线时，相邻两个碳纳米管线之间的距离为10纳米~100微米，优选地，为10纳米~10微米。所述相邻两个碳纳米管线之间的空间构成所述碳纳米管层的微孔142。相邻两个碳纳米管线之间的间隙长度可以等于碳纳米管线的长度。通过控制碳纳米管膜的层数或碳纳米管线之间的距离，可以控制碳纳米管层中微孔142的尺寸。

所述碳纳米管膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中多数碳纳米管之间通过范德华力相连而实现。本实施例中，所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向延伸。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

下面进一步说明所述碳纳米管膜或者碳纳米管线的具体构造、制备方法或处理方法。

请参阅图3及图4，所述碳纳米管层包括至少一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜包括多个连续且基本沿同一方向延伸的碳纳米管。具体地，所述碳纳米管膜包括多个连续且定向延伸的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管膜可通过从一碳纳米管阵列中选定部分碳纳米管后直接拉取获得。所述碳纳米管膜的厚度为1纳米~100微米，宽度与拉取出该碳纳米管膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。所述碳纳米管膜中相邻的碳纳米管之间存在微孔或间隙从而构成微孔142，且该微孔的孔径或间隙的尺寸小于10微米。优选地，所述碳纳米管膜的厚度为100纳米~10微米。该碳纳米管膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向延伸。所述碳纳米管膜及其制备方法具体请参见申请人于2007年2月9日申请的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B号中国公开专利“碳纳米管膜结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

请参阅图5，当所述碳纳米管层包括层叠设置的多层碳纳米管膜时，相邻两层碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向形成一交叉角度β，且β大于等于0度小于等于90度（0°≤β≤90°），如30度，60度，90度。所述层叠设置的多层碳纳米管膜能够进一步提高所述碳纳米管层的自支撑性，防止碳纳米管层在使用的过程中变形，从而能够更好的防止团聚现象的发生。本实施例中，所述碳纳米管层包括两层层叠设置的碳纳米管膜，所述交叉角度β为90度。

所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述非扭转的碳纳米管线与扭转的碳纳米管线均为自支撑结构。具体地，请参阅图6，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿平行于该非扭转的碳纳米管线长度方向延伸的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转的碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图7，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋延伸的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线及其制备方法请参见申请人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利“一种碳纳米管绳及其制造方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司，以及于2005年12月16日申请的，于2009年6月17日公告的第CN100500556C号中国公告专利“碳纳米管丝及其制作方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司。

请一并参阅图8，在碳纳米管层表面上采用电子束蒸发法、热沉积或溅射法等方法形成厚度为几纳米到几百纳米的金属催化剂层15，其中催化剂层15可为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其合金之一。所述催化剂层15包括多个催化剂颗粒，所述催化剂颗粒分散于所述碳纳米管层的表面。所述催化剂颗粒的尺寸为5纳米～10纳米。所述催化剂层15承载于所述碳纳米管层表面，具体的，所述催化剂颗粒均匀分散且固定于所述碳纳米管层的表面，所述催化剂颗粒可均匀分散于所述碳纳米管层中碳纳米管的表面，也可分散于所述碳纳米管之间的微孔142中。由于所述碳纳米管层具有多个微孔142，因此所述催化剂颗粒可嵌入所述微孔142中，从而得到有效的固定。可以理解，当所述催化剂颗粒的尺寸大于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒的部分表面可嵌入所述微孔142中得到有效固定；当所述催化剂颗粒的尺寸与所述微孔142的尺寸基本相等时，所述催化剂颗粒可整体嵌入所述微孔142中被牢固固定；当所述催化剂颗粒的尺寸小于所述微孔142的尺寸时，所述催化剂颗粒在所述碳纳米管的吸附作用下吸附于所述碳纳米管的表面得到固定。本实施例中，所述催化剂层15为铁纳米颗粒，沉积厚度约为5nm，所述催化剂颗粒的尺寸为8纳米。

本发明进一步提供一种所述反应器10作为生长装置的应用，主要包括以下步骤：

步骤（S11），提供一反应器10；

步骤（S12），向所述反应室13内通入碳源气与载气的混合气体；

步骤（S13），加热所述碳纳米管催化剂层14层以生长碳纳米管。

在步骤（S12）中，所述混合气体从所述反应室13的进气口11通入所述反应室13中。所述混合气体的通入方向可与所述碳纳米管层的表面形成一定角度α，所述α大于零度小于等于90度，优选的，所述混合气体的通入方向基本垂直于所述碳纳米管层的表面，具体的，所述混合气体的整体流向垂直于所述碳纳米管层的表面，并通过所述微孔142贯穿所述碳纳米管层。所述混合气体从所述进气口11通入所述反应室13中，同时，所述混合气体以基本相同的流速从所述反应室13的出气口12流出所述反应室13。这样可保持碳源气体在反应室13内处于流动状态，反应室13内参加反应的碳源气体会得到及时的更新以使其浓度基本维持不变，且所述碳源气体的流动方向贯穿所述催化剂层15及所述碳纳米管层，从而能够使所述碳源气体能与所述催化剂颗粒充分接触，可在所述碳纳米管层表面生长出高品质的碳纳米管。并且，由于所述催化剂层15中的催化剂颗粒固定于所述碳纳米管层的表面，因此，在通入混合气体的过程中，所述混合气体的流动基本不会影响所述催化剂颗粒的分布，从而能够有效的避免所述催化剂颗粒团聚的情况。由于所述碳纳米管层表面碳纳米管的生长速度正比于催化剂层15与反应室13的温度差，可以通过调整碳源气的流速控制催化剂的温度，因此反应室13内的流速及气压可根据所要生长的碳纳米管的生长速度等进行设定、控制，只要保证所述气压不会破坏所述碳纳米管层即可。

所述载气可采用氩气，也可为氮气或其它不与后续通入的碳源气体发生反应的气体。所述碳源气体可为乙烯，也可为甲烷、乙烷、乙炔或其它气态烃类。本实施例中，碳源气体乙烯以1000sccm(StandardCubicCentimetersMinute)的流速通入反应室13中。

在步骤（S13）中，所述反应室13可通过一加热装置（图未示）进行加热，只要保证所述反应室13的温度能够达到碳纳米管的生长温度即可。本实施例中，所述反应室13可通过向所述碳纳米管层通入电流的方式加热所述反应室13。具体的，所述反应器10进一步包括一第一电极144及一第二电极146分别与所述碳纳米管层电连接，具体的，所述第一电极144与所述第二电极146间隔设置于所述碳纳米管层表面。所述第一电极144与所述第二电极146与所述电源140电连接，从而向所述碳纳米管层中通入电流。

请一并参阅图8及图9，通过向第一电极144与第二电极146之间施加一电压，在碳纳米管层中通入电流，加热所述碳纳米管层，使所述碳纳米管层的温度达到碳纳米管的生长温度。第一电极144与第二电极146之间施加的电压与两导电基体之间的距离以及碳纳米管层中碳纳米管的直径相关。本实施例中，碳纳米管层中的碳纳米管的直径为5微米，在第一电极144与第二电极146之间施加一40伏特的直流电压。催化剂层15在碳纳米管层产生的焦耳热的作用下，加热到温度为500℃至900℃，反应时间为30～60分钟，在碳纳米管层的表面生长碳纳米管。而反应室13的温度约为30摄氏度至50摄氏度，使得所述催化剂层15与所述反应室13之间形成较大的温差，从而能够提高所述碳纳米管层表面碳纳米管的生长速率。

进一步的，在所述碳纳米管层通入电流加热的过程中，可通过一加热装置（图未示）对所述反应室进行加热以提高碳纳米管的生长速度。对碳纳米管层通入电流一定时间后，停止加热，然后停止通入气体。

本发明中所述的反应器10具有以下有益效果：首先，由于所述反应器10包括一碳纳米管层，而所述碳纳米管层中的碳纳米管性质稳定，不会与催化剂进行反应；其次，所述碳纳米管层中的碳纳米管具有较大的比表面积，因此所述碳纳米管层具有良好的吸附能力，无需其他粘结剂就可以牢固的固定沉积于所述碳纳米管层表面的催化剂颗粒；再次，所述碳纳米管层具有多个微孔，从而使得后续沉积的催化剂颗粒能够有效的嵌入所述碳纳米管层中，能够更加有效的固定沉积于的催化剂颗粒，防止其团聚，从而能够有效的防止催化剂层失活；最后，由于所述碳纳米管层具有良好的电热转换能力，因此能够直接通过向所述碳纳米管层通入电流的方式，加热所述碳纳米管层，无需单独设置加热元件，简化了反应器的结构，降低了成本。

请参阅图10，本发明第二实施例提供一种反应器20，所述反应器20包括一反应室13，所述反应室13包括多个间隔设置的碳纳米管催化剂复合层14。该反应器20具有一进气口11及一出气口12间隔设置于所述反应室13相对的两端，所述多个碳纳米管催化剂复合层14沿从进气口11到所述出气口12的方向依次设置。本发明第二实施例提供的反应器20与第一实施例所述反应器10基本相同，其不同在于，所述反应器20包括多个间隔设置的碳纳米管催化剂复合层14。

所述反应室13从所述进气口11到所述出气口12为一贯通的结构，所述多个碳纳米管催化剂复合层14间隔设置于所述反应室13中，所述相邻碳纳米管催化剂复合层14之间的距离可相等或不等。本实施例中，所述多个碳纳米管催化剂复合层14以等间距的方式设置于所述反应室13中，所述碳纳米管催化剂复合层14之间的距离可为2厘米至50厘米。每一碳纳米管催化剂复合层14包括一碳纳米管催化剂复合层14。

请一并参阅图11，本发明第二实施例进一步提供一种所述反应器20作为生长装置生长碳纳米管的应用，主要包括以下步骤：

步骤（S21），提供一反应器10；

步骤（S22），向所述反应室13内通入碳源气与载气的混合气体，使所述混合气体依次通过所述多个碳纳米管催化剂复合层14；

步骤（S23），加热所述反应室13以生长碳纳米管。

本发明第二实施例提供的反应器20作为生长装置的应用与所述反应器10基本相同，其不同在于，所述反应器20包括多个碳纳米管催化剂复合层14相互间隔且悬空设置于所述反应室13中。所述碳纳米管催化剂复合层14可沿从所述反应器20进气口11到所述出气口12的轴线方向依次设置。

在步骤（S22）中，所述混合气体从所述进气口11通入所述反应室13中，并依次贯穿所述多个碳纳米管催化剂复合层14后，从所述出气口12流出所述反应室13。由于所述反应室13包括多个间隔设置的碳纳米管催化剂复合层14，因此可充分利用所述碳源气体，使所述碳源气体得到充分的分解，进而能够有效的提高产率，并降低生长成本。

在步骤（S23）中，可同时加热所述多个碳纳米管催化剂复合层14，也可选择性的加热所述碳纳米管催化剂复合层14。本实施例中，所述反应器20包括间隔设置的一第一电极144及一第二电极146，所述多个碳纳米管催化剂复合层14并联设置于所述第一电极144及第二电极146之间。具体的，所述每一碳纳米管催化剂复合层14分别与所述第一电极144及第二电极146电连接，从而向所述碳纳米管催化剂复合层14中通入电流。所述多个碳纳米管催化剂复合层14之间形成并联关系，因此，通过在所述第一电极144及第二电极146之间施加一电压，即可在所述多个碳纳米管催化剂复合层14中通入电流，并加热所述碳纳米管催化剂复合层14达到碳纳米管的生长温度。进一步，所述每一碳纳米管催化剂复合层14与所述第一电极144及第二电极146之间均可单独设置一开关（图未示），从而能够方便的选择不同的碳纳米管催化剂复合层14进行生长。

本发明第二实施例提供的反应器20及其作为生长装置的应用，具有以下有益效果，首先，通过在一反应室内间隔设置多个碳纳米管催化剂复合层14，因此可同时在所述碳纳米管催化剂复合层14的表面生长碳纳米管；其次，所述碳源气体可依次贯穿所述碳纳米管催化剂复合层14，从而使得所述碳源气体能够得到充分的利用，例如与第一个碳纳米管催化剂复合层14表面的催化剂颗粒未反应的碳源气体，可再与所述第二个碳纳米管催化剂复合层14表面的催化剂颗粒进行反应，提高了生产效率并降低了成本；再次，所述多个碳纳米管催化剂复合层14可分别进行通电加热控制，进而可以实现选择性的生长，在某一碳纳米管催化剂复合层14出现问题时，可断开此碳纳米管催化剂复合层14，而不影响其他碳纳米管催化剂复合层14表面继续生长碳纳米管。

请一并参阅图12，本发明第三实施例提供一种反应器30，所述反应器30包括一反应室13，所述反应室13包括多个间隔设置的碳纳米管催化剂复合层14。该反应器20具有一进气口11及一出气口12间隔设置于所述反应室13相对的两端，所述多个碳纳米管催化剂复合层14沿从进气口11到所述出气口12的方向依次设置。本发明第三实施例提供的反应器30与第一实施例所述反应器10基本相同，其不同在于，所述反应器30中所述反应室13包括多个弯折结构。所述反应器13从所述进气口11至所述出气口12之间为一贯通的管状结构，气体可从所述进气口11流经所述多个碳纳米管催化剂复合层14后，从所述出气口12流出。所述弯折结构的具体形式可为“之”字形、凹形、“S”形等，也可为其他弯折形状。所述弯折结构的反应器30可在有限的立体空间内更加充分的利用空间，一次性生长更多的碳纳米管。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (20)

1.一种反应器，包括：

一反应室，所述反应室包括一进气口及一出气口，反应气体从所述进气口通入流向所述出气口，其特征在于，反应器进一步包括一碳纳米管催化剂复合层设置于反应室内部，位于所述进气口及出气口之间，该碳纳米管催化剂复合层具有多个微孔，所述碳纳米管催化剂复合层的表面与所述反应气体的流动方向形成一夹角，使所述反应气体在反应室内流动过程中穿过所述碳纳米管催化剂复合层的多个微孔。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂复合层为一自支撑结构，包括一碳纳米管层及分散于碳纳米管层表面的催化剂颗粒。

3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂层的表面为一平面，且面对所述进气口设置。

4.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂层包括多个催化剂颗粒固定于所述碳纳米管层中碳纳米管的表面。

5.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂层包括多个催化剂颗粒嵌入碳纳米管层的微孔中。

6.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒的尺寸为5纳米～10纳米。

7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂复合层中所述多个微孔沿所述碳纳米管催化剂复合层的厚度方向贯穿所述碳纳米管催化剂复合层。

8.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述微孔的尺寸为5纳米至10微米。

9.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂复合层包括至少一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜中包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管。

10.如权利要求9所述的反应器，其特征在于，所述碳纳米管催化剂复合层包括至少两层重叠设置的碳纳米管膜，相邻两层碳纳米管膜中，碳纳米管的延伸方向形成一夹角，所述夹角大于零度小于等于90度。

11.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述进气口面对所述碳纳米管催化剂复合层一表面设置，从进气口流入的气体沿垂直于所述碳纳米管催化剂复合层表面的方向贯穿所述碳纳米管催化剂复合层。

12.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，进一步包括多个碳纳米管催化剂复合层沿所述反应室中气体的流动方向相互间隔设置于所述反应室中。

13.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应室包括多个弯折结构。

14.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，进一步包括一第一电极与第二电极间隔设置且分别与所述碳纳米管催化剂层电连接。

15.一种生长碳纳米管的方法，主要包括以下步骤：

提供一如权利要求1至14中任意一项所述的反应器；

向所述反应室内通入碳源气体与载气的混合气体；

加热所述碳纳米管催化剂复合层以生长碳纳米管。

16.如权利要求15所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述催化剂层通过电子束蒸发法、热沉积或溅射法的方法形成。

17.如权利要求15所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述混合气体的通入方向垂直于所述碳纳米管催化剂复合层的表面。

18.如权利要求15所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，通过向所述碳纳米管催化剂复合层通入电流的方式加热所述碳纳米管催化剂复合层。

19.如权利要求15所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，所述反应室包括多个碳纳米管催化剂复合层间隔设置，所述多个碳纳米管催化剂复合层并联设置于一第一电极及一第二电极之间，通过向所述第一电极及第二电极施加一电压加热所述多个碳纳米管催化剂复合层。

20.如权利要求19所述的生长碳纳米管的方法，其特征在于，在第一电极与第二电极之间施加一40伏特的直流电压，加热温度为500℃至900℃，反应时间为30～60分钟。