200811032 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種用來合成碳奈米管的量產系統 用此系統的量產方法，且特別是關於一種利用氣相合 來合成碳奈米管的量產系統及使用此系統的量產方法 【先前技術】 本發明是關於一種用來合成碳奈米管的量產系統 用此系統的量產方法，且特別是關於一種利用氣相合 來合成碳奈米管的量產系統及使用此系統的量產方法 碳奈米管為由捲成圓柱狀的石墨片所構成，其依 片數量可分為單壁碳奈米管、雙壁碳奈米管、及多壁 米管。 由於碳奈米管的重量輕、電性與機械性質佳、化 定性高、且表面容易進行反應，故可應用的範圍很廣 如電子資訊產業、能源工業、高性能複合材料、極細 奈米化合物等。因此，需要一種合成高純度碳奈米管 低量產成本的方法。 目前合成碳奈米管的方法包括電弧放電法、雷射 法、化學氣相沉積法、及氣相合成法。以電弧放電法 射沉積法合成碳奈米管會伴隨生成非晶形材料，故需 行熱或化學精製製程，以得到高純度的碳奈米管，因 量產經濟效益低。化學氣相沉積法雖然可藉由將碳奈 排列在基材上而形成高純度的碳奈米管，然此法亦不 及使 成法 及使 成法 〇 石墨 碳奈 學穩 ，例 微的 且具 沉積 或雷 再進 而其 米管 易量 5 200811032 產。 已注意到氣相合成法為低成本合成碳奈米管的方法。 雖然已研發出各種氣相合成法，但以傳統氣相合成法合成 的碳奈米管含有大量的非晶形碳粒，因而難以精製碳奈米 管。由於氣相合成法的產率低且合成的碳奈米管含有大量 的非晶形碳粒，故其特別不適於量產單壁或雙壁碳奈米管。 另外，採用氣相合成法的碳奈米管量產系統為一批次 系統，其中碳奈米管是在每一批次中重複一連串的步驟而 得，步驟包括投入金屬催化劑至反應室中、加熱反應室一 段時間、然後冷卻反應室。但其需於每一批次重複上述各 步驟，且每一批次的製程條件難以控制到完全相同，是以 合成出的碳奈米管均一度差，因此此種量產系統具有高製 造成本與低生產率之問題。 【發明内容】 由於碳奈米管的重量輕、電性與機械性質佳、化學穩 定性高、且表面容易進行反應，故其可應用的範圍很廣， 例如電子資訊產業、能源工業、高性能複合材料、極細微 的奈米化合物等。因此，需要一種大量合成高純度碳奈米 管且具低量產成本的方法。 為解決上述問題，本發明之一目的提出一種量產系統 及利用氣相合成法在開放型反應室中合成碳奈米管的方 法。 本發明是關於一種合成碳奈米管的量產系統，用以於 6 200811032 反應室中合成碳奈米管時，完全開放反應室至外部，並防 止外界空氣因氣體重力不同而流入反應室、以及其量產方 法。 根據本發明，其可連續將催化劑從外部輸入到反應 室，並使反應室内合成的碳奈米管連續排放到外部，藉以 量產碳奈米管。 此外，根據本發明，藉由控制催化劑輸送速度、反應 溫度、金屬催化劑粒子大小、碳源氣體注入量、和氫氣注 入量，而可大量合成不同性質的礙奈米管。 藉由連續還原催化劑、合成碳奈米管、及冷卻碳奈米 管，可量產高品質的碳奈米管。 根據本發明之一態樣，為達成上述與其他目的，提出 一種用來合成碳奈米管的量產系統，包含：一反應室，具 有至少一連通外界空氣的開口 、和至少一不同比重氣體佔 據區域，充滿此區域的氣體比重不同於外界空氣比重，以 防止外界空氣經由開口進入反應室；一碳奈米管合成單 元，位在不同比重氣體佔據區域，並利用通過開口引入的 催化劑介質來合成碳奈米管；一輸送單元，通過開口而輸 送催化劑至碳奈米管合成單元；以及氣體供應單元，分別 提供不同比重氣體與合成碳奈米管用之碳源氣體至不同比 重氣體佔據區域與碳奈米管合成單元。 較佳地，開口包括一引入催化劑至反應室的入口、和 一排放碳奈米管合成單元所合成的碳奈米管至反應室外的 出口。輸送單元通過開口、不同比重氣體佔據區域、碳奈 7 200811032 米管合成單元、及出口來傳輸催化劑及/或碳奈米管。 較佳地，壤奈米管合成單元包括一位在反應室内的反 應區域，其利用填充於不同比重氣體佔據區域中的不同比 重氣體來阻隔外界空氣；一碳源氣體注入器，用以注入氣 體供應單元提供的碳源氣體到反應區域，如此由輸送單元 輸入到反應區域的催化劑將與碳源氣體反應形成碳奈米 管；以及一加熱構件，用以加熱反應區域。 較佳地，碳奈米管合成單元的反應區域定義在至少一 部分不同比重氣體佔據區域的下部，且填入不同比重氣體 佔據區域的氣體比重小於碳源氣體比重。碳奈米管合成單 元更包括一於上部為開啟狀態的碳源氣體限制區，用以阻 擋注入到反應區域的碳源氣體漏出反應區域。 較佳地，不同比重氣體佔據區域包括一第一不同比重 氣體佔據區域，且其充滿比重小於碳源氣體比重的氣體； 以及一第二不同比重氣體佔據區域，且其充滿比重大於碳 源氣體比重的氣體。第一不同比重氣體佔據區域、反應區 域、及第二不同比重氣體佔據區域為沿重力方向依序定義 於反應室内。 較佳地，不同比重之氣體包含至少一種比重小於外界 空氣比重的氣體、或比重大於外界空氣比重的氣體（其視反 應室開口的位置而定），以防止外界空氣經由開口進入反應 室。 較佳地，填入不同比重氣體佔據區域的不同比重之氣 體為氫氣。 8 200811032 較佳地，反應室包括至少一形成其中的排氣管，以排 放氫氣至反應室外部，而使不同比重氣體佔據區域中的氫 氣壓力與外界空氣壓力達平衡狀態。 較佳地，不同比重氣體佔據區域包括一以橫越重力方 向而相通的第一佔據區域、一連接於入口與第一佔據區域 之間的第二佔據區域、以及一連接於出口與第一佔據區域 之間的第三佔據區域。反應室於其入口與出口處彎曲而定 義出第一佔據區域、第二佔據區域、和第三佔據區域。 較佳地，入口與出口在相對於第一佔據區域的重力方 向上具有一位差，以防止不同比重氣體佔據區域内的填充 氣體因重力而經由入口與出口洩漏出反應室外。 較佳地，碳奈米管合成單元包括一位在反應室内的反 應區域，其利用填充於不同比重氣體佔據區域中的不同比 重氣體來阻擋外界空氣；一碳源氣體注入器，用以注入氣 體供應單元提供的碳源氣體到反應區域，如此由輸送單元 輸入到反應區域的催化劑將與碳源氣體反應形成碳奈米 管；以及一加熱構件，用以加熱反應區域。 較佳地，不同比重之氣體包含比重小於外界空氣比重 的氣體，且入口與出口的設置沿重力方向為低於第一佔據 區域，以防止不同比重之氣體因重力而經由入口或出口洩 漏出反應室外。 較佳地，不同比重之氣體為氫氣，其比重小於外界空 氣比重。 較佳地，不同比重之氣體包含比重大於外界空氣比重 9 200811032 的氣體，且入口與出口的設置沿重力方向為高於第一佔據 區域，以防止不同比重之氣體因重力而經由入口與出口洩 漏出反應室外。 較佳地，碳源氣體注入器包括複數個喷嘴，其對應反 應區域尺寸而分散排列，以均勻注入碳源氣體至反應區域。 較佳地，量產系統更包括一加熱構件，用以加熱反應 室的至少一區域，以還原經由開口注入到反應室的催化劑。 較佳地，碳奈米.管合成單元包括一朝上開啟的礙源限 制區，用以阻擋注入到反應區域的碳源氣體漏出反應區域。 較佳地，量產系統更包括一冷卻單元，用以冷卻反應 室靠近出口的區域，如此冷卻單元可冷卻碳奈米管。 根據本發明之另一態樣，提出一種合成碳奈米管的量 產方法，其包含下列步驟：準備一反應室，具有一不同比 重氣體佔據區域、和至少一連通外界空氣的開口；將至少 一不同比重之氣體填入不同比重氣體佔據區域，且氣體的 比重不同於外界空氣，以防止外界空氣經由開口進入不同 比重氣體佔據區域；提供一碳源氣體給不同比重氣體佔據 區域，以形成一反應區域，其利用不同比重之氣體來阻隔 外界空氣；透過開口提供一催化劑至反應室的反應區域； 藉由催化劑與形成反應區域的碳源氣體反應，而合成碳奈 米管；以及透過開口排放合成的碳奈米管至反應室的外部。 較佳地，不同比重氣體佔據區域包括一以橫越重力方 向而相通的第一佔據區域、一連接於入口與第一佔據區域 之間的第二佔據區域、以及一連接於出口與第一佔據區域 10 200811032 之間的第三佔據區域。反應室於其入口與出口處彎曲而定 義出第一佔據區域、第二佔據區域、和第三佔據區域。 較佳地，入口與出口在相對於第一佔據區域的重力方 向上具有一位差，以防止不同比重氣體佔據區域内的填充 氣體因重力而經由入口與出口洩漏出反應室外。 較佳地，不同比重氣體佔據區域内的填充氣體包含氫 氣，且上述方法更包括：加熱第二佔據區域；以及在第二 佔據區域中，利用氫氣與催化劑反應而還原催化劑。 較佳地，反應室更包括一排氣管，形成在其中一個入 口與出口附近而連接於外部，且上述方法更包括：利用排 氣管排放氫氣，以使不同比重氣體佔據區域中的氫氣壓力 與外界空氣壓力達平衡狀態。 本發明可應用於採用氣相合成法來合成碳奈米管的量 產系統。特別是，本發明可應用於合成碳奈米管的量產方 法，其使用含有開放型反應室之合成碳奈米管的量產系統。 【實施方式】 本發明之較佳實施例將配合所附圖式詳述如下。 第1圖為根據本發明第一實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。參照第1圖，第一實施例之合成碳奈米管 的量產系統包括一具預定空間於其中的拱形反應室1、一 用於還原金屬催化劑的金屬催化劑還原單元 1 00、一使用 還原之金屬催化劑來合成碳奈米管的碳奈米管合成單元 200、一用於冷卻合成之碳奈米管的冷卻單元300、一用於 11 200811032 提供碳源氣體、大氣等給反應室的氣體供應單元5 0、以及 一用於輸送金屬催化劑至反應室的輸送單元。 反應室1具有一開放結構，其中入口 2與出口 3為連 通外部，而沈降部5則位於其中央以定義出一空間。沈降 部 5用來收集與存放碳源氣體，且可視為碳源氣體限制 區。入口 2與出口 3分別可做為連通外部的開口。 氣體供應單元50包括碳源氣體貯槽60(如乙烯氣體貯 槽）、氬氣或氮氣貯槽 70(如惰性氣體貯槽）、和氫氣貯槽 80，其經由氣體供應管而各自提供氣體至反應室。每一貯 槽包括一淨化器。淨化器分別純化碳源氣體混合物、惰性 氣體混合物及氫氣混合物，以提供高純度的碳源氣體、惰 性氣體及氫氣。碳源氣體的例子包括甲烷、乙烷、乙烯、 乙快、丙烯、丁烧、丁稀、丁二稀、己烧、庚烧、甲苯、 苯、二曱苯、汽油、丙烷、液態丙烷氣（LPG)、液態天然 氣（LNG)、石油腦、一氧化碳、及醇基氣體。 金屬催化劑還原單元1 〇 〇用來還原引入反應室1的金 屬氧化物催化劑、或還原含金屬氧化物催化劑的催化材料 中的金屬氧化物催化劑。金屬催化劑還原單元1 〇 〇包括一 連接反應室1的第一氣體喷嘴112，以供應氫氣、及一裝 設在反應室1外的第一加熱構件11 0，以還原船形容器1 0 中的金屬氧化物催化劑。第一加熱構件11 0為一加熱產生 機構，用以加熱反應室内部，且設有溫度感測器（未繪示）， 以維持反應室内部溫度為60(TC至1200°c。 碳奈米管合成單元200藉由輸入反應室的金屬氧化物 12 200811032 催化劑與碳源氣體反應，而合成出碳奈米管。碳奈米管合 成單元200包括一用來合成碳奈米管的反應區域；一喷灑 頭 212，具有複數個喷嘴，以均勻注入碳源氣體；以及一 裝設在反應室1外的第二加熱構件2 10。由於喷嘴為排列 在喷灑頭2 1 2上，故碳源氣體可均勻注入到反應室1的預 定區域，而於反應室1的整個反應區域中均勻地合成碳奈 米管。第二加熱構件2 1 0為另一加熱產生機構，用以加熱 反應室内部，且設有溫度感測器（未繪示），以維持反應室 内部温度為600°C至1 200°C。 冷卻單元300包括一置於反應室1的冷卻構件310， 用以冷卻反應室内部。反應室1連接於第三氣體喷嘴3 1 2， 以注入惰性氣體，例如氬氣、氮氣或氫氣。冷卻單元 300 可包括圍住反應室1的水冷卻套。第三氣體喷嘴312供應 的氫氣不僅在反應室1内部形成氫氣環境，還清洗了合成 的碳奈米管。 反應室1包括設在反應室1入口 2附近的第一氣體排 氣管 1 3 0，以排出反應後殘留在反應室的氣體、以及設在 反應室1出口 3附近的第二氣體排氣管3 3 0，以排出反應 後殘留在反應室的氣體。此結構可使反應室中的氫氣壓力 與外界空氣壓力達到平衡，而有效防止外界空氣經由入口 與出口滲入反應室内。意即，當氫氣由氣體注入管注入到 反應室時，會提高反應室中的氫氣壓力；當氫氣壓力大於 外界空氣壓力時，則將氫氣排出反應室外。鑒於透過反應 室的入口與出口排放氫氣具危險性，反應室還包括獨立的 13 200811032 氣體排氣管，用以排出氫氣。 輸送單元用來傳輸含金屬催化劑的容器（如船 10)到反應室，其可為運輸帶等裝置。輸送單元可藉 馬達等而控制輸送金屬催化劑的速度，進而控制還 氧化物催化劑的時間及合成碳奈米管的時間。含金 劑的容器之一為船狀容器1 0，且可由各種材料構成 金屬、石英或石墨。船狀容器10具有貫穿底面的孔 還原金屬氧化物催化劑和合成碳奈米管的過程中， 器1 0的孔洞可增加氣體與金屬催化劑的接觸效果， 進金屬氧化物催化劑的還原和碳奈米管的合成。此 狀容器1 0的孔洞有助於排放反應生成物。 根據上述第一實施例之合成碳奈米管的量產系 屬催化劑還原單元1 0 0、碳奈米管合成單元2 0 0及 元3 00為依序設置，以進行連續的製程。 根據上述第一實施例之合成碳奈米管的量產系 金屬氧化物催化劑的船狀容器1〇利用輸送單元從 送至反應室，並經過金屬催化劑還原單元 1 00、破 合成單元200和冷卻單元300，然後經由出口 3輸 室外。當船狀容器1 〇由出口 3傳至外部後，接著從 器1 0取出合成的碳奈米管。在取出船狀容器1 0中 米管後，含有新的金屬催化劑的船狀容器1 0則由 送入反應室。如此，輸送單元可在入口與出口間循 越反應室。儘管圖式並未繪出輸送單元的循環結構 知此技藝者必對其有一定程度的了解，故於此不再 狀容器 由控制 原金屬 屬催化 ，例如 洞。在 船狀容 故可促 外，船 統，金 冷卻單 統，含 外部傳 奈米管 出反應 船狀容 的Z反奈 入口 2 環並穿 ，缺孰 贅述。 14 200811032 本發明之量產系統可重複上述連續的製程，因此可大量合 成碳奈米管。 雖然第1圖的加熱構件鄰接冷卻構件，但加熱構件亦 可置離冷卻構件，以防止彼此功能相互干擾；或者，二構 件間可加設熱傳防護構件，以避免功能相互干擾。由於熟 知此技藝者對這些結構有一定程度的了解，故於此不再贅 述。 第2圖繪示碳源氣體和氫氣在本發明第一實施例之合 成碳奈米管的量產系統反應室中的狀態。如第2圖所示， 反應室1為充滿碳源氣體和氫氣。如上述，因外界空氣無 法滲入反應室1，故反應室1内部可隔離外界空氣。 如第1及2圖所示，碳源氣體是透過連接氣體供應單 元的噴灑頭2 1 2而均勻注入反應室1，氫氣則是透過氣體 喷嘴1 1 2、3 1 2注入其中。若是提供已還原的金屬催化劑給 反應室，則可以氦氣、氖氣、氬氣、氙氣、或氮氣取代氩 氣來當作反應室的環境氣體。 假設反應室1内的溫度為約900°C ，反應室1外的温 度為約20 °C，則氣體重量可依下述計算。由於1莫耳氫氣 (22.4公升）在標準狀態下（0°C=274K、1大氣壓）重量為2 公克，且根據查理定律（Charle’slaw)，氫氣在溫度約為900 °C (11 74K)的反應室中體積會變大四倍，故1莫耳氫氣（22.4 公升）此時約重0.5公克。另外，由於1莫耳空氣（22.4公 升）在標準狀態下重28.9公克，故1莫耳空氣（22.4公升） 在室溫下（20°C )約重27公克。 15 200811032 反應室入口與出口處（即外界空氣與氫氣接觸處 外界空氣比重比氫氣比重大約 54倍，是以因不同比 故，空氣總是位在氫氣下方。由於反應室内部充滿氫 且反應室入口與出口處的氫氣與外界空氣達平衡狀態 此可防止外界空氣滲入反應室。因反應室内的氫氣佔 域為充滿比重不同於外界空氣比重的氣體，故其可視 不同比重氣體佔據區域。此氮氣佔據區域可防止外界 進入反應室。若反應室入口處的氫氣佔據區域視為一 側佔據區域、反應室出口處的氫氣佔據區域視為一出 佔據區域、且反應室入口與出口間的氫氣佔據區域視 中間佔據區域，則入口與出口的位置沿重力方向為低 間佔據區域，以防止外界空氣經由入口與出口進入 室。中間佔據區域為以橫跨重力方向的方向形成。入 佔據區域位於反應室入口與中間佔據區域之間，出口 據區域位於反應室出口與中間佔據區域之間。 反應室的沈降部5具有一縱深的空間，其係藉由 分反應室降低而比沈降部5周圍深來形成之。因從喷 直接注入到沈降部5上方的碳源氣體比重大於其周圍 氣比重，因此碳源氣體會下沉，並集中到沈降部 5。 降部5中的碳源氣體比氫氣重，故其不會上升而離開 部5。沈降部5中的碳源氣體佔據區域被反應室中的 佔據區域包圍。碳源氣體佔據區域為氫氣與金屬催化 應、及合成碳奈米管的反應區域，並且藉由氫氣隔開 應區域與反應室外的外界空氣。 )的 重之 氣， ，因 據區 為一 空氣 入口 口側 為一 於中 反應 口側 側佔 使部 灑頭 的氮 因沈 沈降 氫氣 劑反 此反 16 200811032 部分引進反應室的氫氣為透過反應室入口 2與 附近的排氣管1 3 0、3 3 0排出反應室外。此結構是用 氫氣壓力與外界空氣壓力間的平衡，以確保外界空 滲入反應室。氫氣從排氣管排放時會產生往排氣管 氣流。因排氣管1 3 0、3 3 0設在反應室入口 2與出口 ： 故氫氣會持續供應到反應室入口與出口 ，因而可維 壓力達到外界空氣不會流入反應室的程度。 採用根據第一實施例之合成碳奈米管系統來合 米管的方法將說明於下。 反應室1的金屬催化劑還原單元1 〇〇及碳奈米 單元200為利用第一加熱構件1 1 0與第二加熱構件 加熱至一預定溫度，如600°C至1200°C (步驟1)。 接著，利用氣體供應單元5 0提供惰性氣體（例 或氮氣）給反應室（步驟2)。當較大比重之惰性氣體 反應室時，較小比重之空氣或其他氣體會被惰性氣 及/或掃出反應室入口與出口。藉此可移除反應室1 純氣體，而在反應室内部形成惰性氣體環境。雖然 驟是在加熱反應室内部之後，才以惰性氣體填充反 部；然亦可在加熱反應室内部之前，即以惰性氣體 應室内部。 其次，利用氣體供應單元5 0提供氫氣至反應室 性氣體環境中（步驟3)。由於氫氣比填入反應室的惫 因此氫氣可從反應室上部填充至反應室。 然後，利用輸送單元將1 - 5 0奈米大小的金屬氧 出口 3 來維持 氣不會 流動的 ί附近， 持氫氣 成碳奈 管合成 210來 如氬氣 供應至 體推出 内的不 上述步 應室内 填充反 1的惰 t氣輕， 化物催 17 200811032 化劑或容納含金屬氧化物催化劑之催化材料的船形容器 1 0從外部經由入口 2輸送到反應室内（步驟4)。催化材料 可為粉末狀，且可包含氧化鎂（MgO)、氧化鋁（Al2〇3)、沸 石、氧化矽等。使催化材料變成奈米級多孔性催化材料的 方法可包括溶膠-凝膠法、沉澱法、或浸潰法。 輸送到反應室的金屬氧化物催化劑為經由金屬催化劑 還原單元1 0 0還原成不含氧的純金屬催化劑（步驟5)。例 如，若金屬氧化物催化劑為氧化鐵，則氧化鐵與氫氣反應 後會轉變成純鐵與水。金屬氧化物催化劑可包括始、鎳、 在目或其合金。 經過金屬催化劑還原單元1 00後，船形容器1 〇接著為 輸送到碳奈米管合成單元200。金屬催化劑在碳奈米管合 成單元2 0 0的反應區域中與碳源氣體反應而合成出碳奈米 管（步驟6)。 碳奈米管的合成為在氫氣環境中進行，其中氫氣移除 了金屬催化粒子表面的金屬氧化物，並抑制過多的後元素 供應至金屬催化劑表面。此外，氫氣還移除了吸附在金屬 催化粒子表面的非晶形碳材料，且抑制非晶形碳團聚物或 粉末依附到反應室中生成之碳奈米管的外表面。當然，藉 由調整合成碳奈米管時的碳源氣體流量與反應區域溫度， 可控制碳奈米管的生長速度、尺寸、及結晶度。 特別是當金屬催化劑粒子本質上係固著於粉末狀催化 材料之奈米級孔洞時，金屬催化粒子即使在合成碳奈米管 的高溫下，也能被抑制不動，因此可合成出大小均勻的碳 18 200811032 奈米管。另外，使用數奈米尺寸且本質上固著於粉末狀 質之奈米級孔洞的金屬催化劑顆粒來合成碳奈米管，由 並不會形成非晶形碳團聚物，故亦可合成出高純度的碳 米管。 含合成之碳奈米管的船形容器1 〇隨後輸送到冷卻 元3 00，並以冷卻構件3 1 0降溫（步驟7)。所合成的高純 碳奈米管通過冷卻單元3 0 0後冷卻到室溫，且於氫氣環 中反覆清洗之。 最後，合成之碳奈米管經由出口 3排出反應室外（步 8)。在反應室外取出船形容器1 0中的合成碳奈米管後， 添入金屬催化劑的船形容器1 0接著經由入口 2進入反 室，藉以連續合成出碳奈米管。採用此連續製程可大量 造碳奈米管。冷卻合成之碳奈米管的步驟可在碳奈米管 出反應室以後，再於外部進行，故在此實施例中，反應 不包括冷卻構件。 為了利用此連續製程合成碳奈米管，必須完全避免 氣滲入反應室。若氧氣經由空氣帶進反應室，則氧氣將 刻與碳源氣體反應而無法合成碳奈米管，並且氧氣可能 與氫氣反應而引起***。因此反應室中不能含有氧氣。 為了在反應室内部形成無氧環境，習知使用氣相合 法量產碳奈米管的批次系統是採用批次型結構，其反應 内部為完全與外部隔絕且充滿惰性氣體。 然而，採用上述結構需重複加熱反應室來合成碳奈 管、以及在每一次合成碳奈米管時冷卻反應室。因此習 基 於 奈 單 度 境 驟 新 應 製 排 室 空 立 會 成 室 米 知 19 200811032 批次型量產系統在合成碳奈米管前，需要極長的 間，故難以提高其生產率。 反之，本發明之反應室為連通外部，故反應室 保持在合成碳奈米管時的溫度，而不需反覆冷卻與 應室内部。根據本發明之用來合成碳奈米管的量產 一旦系統開始操作，即可連續製造碳奈米管，而不 製造。下述結構可達成連續合成碳奈米管的目的。 應室為連通外部，故金屬催化劑可持續供應至反應 外，當持續提供金屬催化劑至反應室時，碳奈米管 元2 0 0仍持續合成碳奈米管，進而大量製造碳奈米 達此目的，反應室必須為開放結構，其中入口與出 開狀態，且可避免外界空氣經由入口與出口進入反 藉由使不同比重之氣體佔據反應室特定區域，可防 空氣滲入反應室。由比重不同於反應室内其他氣體 所佔據的區域可視為一不同比重氣體佔據區域。 此外，由於反應室内的不同比重氣體之壓力和 入口與出口處的外界空氣壓力為達到平衡狀態，因 止外界空氣滲入反應室。 第3圖為根據本發明第二實施例之合成碳奈米 產系統截面圖。如第3圖所示，第二實施例之合成 管的量產系統具有一 V型結構，其中入口 2與出口 上開啟，碳奈米管合成單元200則位於反應室中央 沈降部 5中。在第二實施例之合成碳奈米管的量 中，分子量為39.948的氬氣做為反應室的環境氣體 準備時 内部可 加熱反 系統， 需停止 由於反 室。另 合成單 管。為 口為打 應室。 止外界 的氣體 反應室 此可防 管的量 碳奈米 3為朝 低處的 產系統 ，而分 20 200811032 子量大於氬氣的曱苯（分子量為92.1)則做為碳源氣體。 如同本發明第一實施例，第二實施例之量產系統包括 金屬催化劑還原單元1 〇〇、氣體供應單元、碳奈米管合成 單元200、以及冷卻單元300。為免贅述，部分元件於此將 省略繪示與說明。 以下將描述第二實施例之量產系統不同於第一實施例 的結構部份。 根據第二實施例的量產系統，反應室具有一開放結 構，其中入口 2與出口 3為朝上開啟，一先傾斜向上、再 向下延伸的A型部1 5 0則形成於入口 2附近。金屬催化劑 還原單元100位於A型部150。 氫氣透過氣體供應管提供至A型部150。由於氫氣的 比重小於外界空氣或反應室内氬氣的比重，因此氫氣可從 反應室上部填入A型部1 5 0。藉由注入氫氣可使A型部1 5 0 的中央區域充滿氮氣。在此實施例中’反應室入口 2處的 空氣比重大於A型部1 5 0内的氫氣比重，故空氣永遠位在 氫氣下方，而不會引進反應室。金屬催化劑還原渾元 1 00 形成於A型部1 5 0中，用以還原金屬氧化物催化劑。還原 反應室的金屬氧化物催化劑會消耗氫氣，因此需再提供氫 氣給反應室。A型部1 5 0具有一排放管，部分供應至反應 室的氫氣可經此排放管排出其外。 反應室1内連接A型部1 5 0的區域為填充氬氣。由於 氬氣的比重大於外界空氣或氫氣的比重，因此氬氣可從反 應室下部填入反應室。在此，若氬氣注入量超過一預定量， 21 200811032 則氬氣會將氫氣推擠出A型部1 5 0而填入A型部1 5 0。故 需調整氬氣注入量，並使其量不會超過對應Α型部150還 原區域的傾斜部分。 因外界空氣比重小於氬氣比重，故會位在氬氣上方， 是以即使外界空氣在反應室出口 3處接觸到氬氣，其也不 會滲入反應室。 在碳奈米管合成單元200中，比重大於氬氣比重的曱 苯為當作碳源氣體來合成碳奈米管。根據第二實施例的量 產系統，反應室包括一沿重力方向降低的沈降部 5。有鑒 於此，為使碳源氣體下沉並有效收集到沈降部 5，可使用 比重大於環境氣體比重的氣體做為碳源氣體。如此，反應 室沈降部5中的曱苯氣體將與金屬催化劑反應而有效合成 出碳奈米管。反應室的沈降部5是用來限制碳源氣體。 須注意的是，供應至反應室的環境氣體不限於氬氣， 其也可包含其他比重大於外界空氣比重的惰性氣體。另 外，碳源氣體不限於甲苯氣體，其亦可包含其他比重大於 環境氣體比重的氣體。 此實施例的量產系統包括A型部1 5 0，以於反應室1 中還原催化劑。然而，若提供給反應室的催化劑已經還原， 則不需在反應室中還原催化劑，也不需形成A型部1 5 0。 第4圖為根據本發明第三實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。如第4圖所示，第三實施例之合成碳奈米 管的量產系統類似第二實施例的量產系統，除了反應室結 構不同，其修改用來限制碳源氣體的沈降部而於反應室上 22 200811032 部形成一碳源氣體限制區2 5 0。 如同第一實施例’第三實施例之量產系統包括氣體供 應單元、碳奈米管合成單元200、以及冷卻單元3 00，但不 包括金屬催化劑還原單元。由於第三實施例之量產系統使 用已還原的金屬催化劑，因此可省略不用金屬催化劑還原 單元。 根據第三實施例之量產系統，碳源氣體比重為小於反 應室之反應區域中的環境氣體比重。在此實施例中，氬氣 是當作反應室的環境氣體，比重小於氬氣比重的乙烯等氣 體則是當作碳源氣體。然其他比重差異如上述的氣體亦可 分別做為環境氣體和碳源氣體。碳源氣體限制區2 5 0之周 邊由一内壁阻隔、且其上部由反應室頂面阻隔，因此其僅 向下開啟。第三實施例的量產系統包括噴灑頭，具有朝上 配置的喷嘴，以向上噴注碳源氣體。如此，比重較小的碳 源氣體會上升而集中到碳源氣體限制區2 5 0。 碳源氣體限制區2 5 0收集的碳源氣體會與供應至碳源 氣體限制區2 5 0的金屬催化劑反應，進而合成碳奈米管。 第5圖為根據本發明第四實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。如第5圖所示，第四實施例之合成碳奈米 管的量產系統類似第一實施例的量產系統，除了其包括形 成於反應室二側的U型部400、及連接於U型部400並向 上開啟的入口 2與出口 3。 如同第一實施例，第四實施例的量產系統包括金屬催 化劑還原單元 1 〇 〇、氣體供應單元（未繪示）、碳奈米管合 23 200811032 成單元2 0 0、以及冷卻單元3 0 0，未繪於圖式中之部分係便 於清楚描述此系統。 為阻擋外界空氣，可將比重大於外界空氣比重的氬氣 留在反應室的各U型部400内。反應室的U型部400乃由 注入管連接，氬氣經由注入管進入其中。反應室在入口 2 處的U型部400後面還包括金屬催化劑還原單元1 00及碳 奈米管合成單元 2 0 0。同時，反應室的金屬催化劑還原單 元100及碳奈米管合成單元200為充滿氫氣，而出口 3處 的U型部4 0 0為充滿氬氣。如此，外界空氣將於反應室入 口 2與出口 3處接觸到氬氣。因外界空氣比重小於氬氣比 重，故外界空氣會位在氬氣上方，且無法滲入反應室。 須注意的是，注入U型部400的氣體不單只有氬氣， 其他比重大於外界空氣比重的惰性氣體亦可使用。另外， 注入各U型部4 0 0的氣體不一定要相同，其也可分別注入 不同的氣體。 在反應室的碳奈米管合成單元200中，比重大於氫氣 比重的乙烯等氣體（碳源氣體）經由喷灑頭注入且集中至低 處的沈降部5後，會與通過沈降部5的金屬催化劑反應， 進而合成出碳奈米管。 對上述實施例之量產系統而言，若碳奈米管合成單元 或反應區域的長度增加，則輸送含催化劑之構件以使催化 劑與氣體反應的距離亦隨之增長，藉此可提高輸送含催化 劑之構件的速度。換言之，當決定了反應時間和反應室合 成溫度時，若碳奈米管合成單元的長度較長，則可加快金 24 200811032 屬催化劑輸入反應室的速度，因而可提高生產效率。 雖然上述實施例之量產系統的加熱構件是裝設在反應 室外部，但本發明並不侷限在此種結構。或者，加熱構件 可整合至金屬催化劑還原單元與碳奈米管合成單元。本發 明的範圍與應用包含上述所有情況。 不同比重氣體佔據區域是指反應室中被一氣體持續佔 據的預定空間，且該氣體的比重不同於周圍氣體（如外界空 氣）的比重。 本發明具複數個彎曲部的量產系統從反應室入口 2至 出口 3之間可包括一或多個不同比重氣體佔據區域。 若二或多個不同比重氣體佔據區域形成於反應室中， 則這些不同比重氣體佔據區域可各自填入不一樣的氣體。 輸送含催化劑之構件的方式不僅可採用具運輸帶的自 動運輸機構，其亦可採用手動運輸機構。 反應室的沈降部5或碳源氣體限制區2 5 0是將碳源氣 體集中到特定位置，故使用沈降部5或碳源氣體限制區2 5 0 可增加碳奈米管的合成效率。 第6圖為根據本發明第五實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。參照第6圖，第五實施例之合成碳奈米管 的量產系統包括一具預定空間於其中的反應室1 a。反應室 la包括位在一側的入口 2a與出口 3a。反應室入口 2a與出 口 3 a均為開放型結構，且連通大氣。此系統更包括一輸送 單元15a，其將桶狀容器10a(即含金屬催化劑之構件）從入 口 2a經由反應室la内部運送至出口 3a。 25 200811032 反應室1 a具有一直立的結構。反應室1 a包括位 側且向下開啟的入口 2 a、從反應室入口 2 a向上延伸 屬催化劑還原單元1 〇〇a、連接金屬催化劑還原單元 且向下延伸的碳奈米管合成單元200a、連接碳奈米管 單元200a且位於反應室la下部的冷卻單元300a、以 接冷卻單元3 0 0 a且向上開啟的出口 3 a。金屬催化劑 單元100a、碳奈求管合成單元200a、及/或冷卻單元 係與氣體供應單元5 0a連結，其提供碳源氣體、氫氣 氣（或氮氣等惰性氣體）等至反應室。反應室的入口 2a 屬催化劑還原單元l〇〇a、碳奈米管合成單元200a、冷 元300a、及出口 3a依序為互相連結。 金屬催化劑還原單元1 00a藉由還原金屬氧化物 劑而移除引入反應室1 a之金屬氧化物催化劑的氧。金 化劑還原單元 1 〇〇a 包括一具空間於其中之上反 110a、以及一置於上反應室1 1 0 a的第一加熱構件 1 5 金屬催化劑還原單元l〇〇a尚包括氫氣排放管120a， 反應室入口 2上方側，以使氫氣排放管1 2 0 a連通外 氣。上反應室1 1 0 a上端為封閉型態，以限制反應室内 的氣體。第一加熱構件1 5 0 a為一加熱產生機構，用以 反應室内部，且設有溫度感測器（未繪示），以維持反 内部溫度為 600°C至 1 200°C。金屬催化劑還原單元 的上反應室ll〇a為充滿供給反應室的氫氣。由反應室 小比重之氫氣所佔據在上反應室 11 0a的區域將視為 氣佔據區域。金屬氧化物催化劑是以含金屬氧化物催 於一 的金 100a 合成 及連 還原 300a 、氬 、金 卻單 催化 屬催 應室 0 a 〇 位於 界空 上升 加熱 應室 100a 内最 一氫 化劑 26 200811032 之催化載體的形式供應。 在碳奈米管合成單元200a中，金屬催化劑會與碳源氣 體反應而生成碳奈米管。碳奈米管合成單元200a包括一中 央反應室2 1 0a，具有讓較小比重之氣體上升的直立空間、 以及一置於中央反應室210a的第二加熱構件250a。因中 央反應室 2 1 0 a含有使金屬催化劑與碳源氣體反應並合成 碳奈米管的反應區域，故中央反應室2 1 0a具有足使金屬催 化劑充分流貫的長度，且其内徑大於上反應室1 1 〇a或下反 應室3 1 0a，以確保其内含有足夠的碳源氣體。第二加熱構 件250a亦為一加熱產生機構，用以加熱反應室内部，且設 有另一溫度感測器（未繪示），以維持反應室内部溫度為6 00 t至1200°C。構成碳奈米管合成單元200a的中央反應室 2 1 0a為充滿碳源氣體，如比重大於氫氣比重的乙烯氣體。 由反應室内比重大於氫氣之乙烯氣體所佔據在中央反應室 2 1 0a的區域將視為一乙烯氣體佔據區域。中央反應室2 1 0a 的實施結構例如可依不同的氣體比重而使氣體上升或下 降。須注意的是，中央反應室2 1 0a不限於第6圖的斜坡結 構，其也可採用其他具適當斜度的結構，只要此結構可依 氣體比重的不同而使氣體上升或下降即可。 冷卻單元300a用來冷卻碳奈米管。冷卻單元300a包 括一下反應室310a，連接碳奈米管合成單元200a且具有 密閉的底面以留住氣體（例如比碳源氣體重的氬氣）、以及 一設於下反應室310a的冷卻構件350a。構成冷卻單元300a 的下反應室310a為充滿氬氣，其為比重大於乙烯氣體的惰 27 200811032 性氣體之一；由氬氣所佔據在下反應室3 1 0 a的區域將視為 一氬氣佔據區域。如上述，上反應室的氫氣佔據區域和下 反應室 3 1 0 a的氬氣佔據區域沿重力方向上為填入不同比 重的氣體，因此這兩個區域將視為不同比重氣體佔據部。 在此實施例中，冷卻構件3 5 0 a是由水冷卻套組成。但 其他各種具冷卻功能的冷卻構件3 5 0 a亦可使用。下反應室 3 1 0 a形成在具U型排放管2 0 a的内側底部，U型排放管2 0 a 是用來排放包括水等的副產物。由於U型排放管20a的U 型彎曲結構内含有積水，故氣體不會從下反應室 3 1 0 a漏 出。冷卻單元300a可降低氬氣溫度，如此可避免氬氣比重 因熱膨脹而變小。 氣體供應單元50a包括碳源氣體貯槽、氬氣或氮氣貯 槽、和氫氣貯槽，其經由具開/關閥之氣體供應管各自連接 至反應室。每一貯槽包括一淨化器。淨化器分別純化混合 碳源氣體及混合氫氣，以提供高純度的碳源氣體及氫氣。 碳源氣體的例子包括曱烧、乙烧、乙稀、乙炔、丙稀、丁 烷、丁烯、丁二烯、己烷、庚烷、曱苯、苯、二曱苯、汽 油、丙烷、液態丙烷氣（LPG)、液態天然氣（LNG)、石油腦、 一氧化碳、及醇基氣體。惰性氣體存放在下反應室3 1 0 a。 本發明所使用的惰性氣體不限於氬氣或氮氣，任一比碳源 氣體重的惰性氣體皆可使用。在連接冷卻單元3 00a之氣體 供應單元5 Oa注入管所提供的氣體中，碳源氣體向上移動 而至碳奈米管合成單元2 0 0a，氫氣則向上移動、流過碳奈 米管合成單元2 0 0 a而達金屬催化劑還原單元1 0 0 a。在此， 28 200811032 氫氣於上升、流經碳奈米管合成單元2 0 0 a的過程中，會碰 撞碳奈米管合成單元200a内的碳源氣體並促使其移動，移 動中的碳源氣體將積極接觸金屬催化劑而促進碳奈米管的 合成。 輸送單元1 5 a將含催化劑之構件從入口 2 a運送至反應 室出口 3a，並在反應室内循環移動。輸送單元15a可藉由 控制馬達而控制含催化劑之構件的輸送速度，進而控制金 屬氧化物催化劑的還原時間及碳奈米管的合成時間。此實 施例的含催化劑之構件為桶狀容器1 〇 a，用以提供氣相合 成法合成碳奈米管所需的金屬催化劑。桶狀容器1 0 a上端 係以絞練連接於輸送系統。如此，桶狀容器1 Oa在任一位 置可藉由鉸鏈之連接而維持呈直立狀態，故含催化劑之構 件内的金屬催化劑不會傾倒出來。含催化劑之構件並不限 於桶狀容器，其可使用其他適合輸送金屬催化劑的容器形 式。含催化劑之構件可由各種材料構成，例如金屬、石英、 石墨等。含催化劑之構件可具有貫穿底面的孔洞，使金屬 催化劑與破源氣體進行活化反應。 各圖式中以虛線分隔的上、下部份乃表示不同氣體所 佔據的區域。 雖然此實施例的量產系統是採用桶狀容器做為含金屬 催化劑之構件，但本發明不限於此結構。例如，本發明的 量產系統可使用其他構件，如可放入金屬催化劑的船形容 器或托盤。在此實施例中，可依據含催化劑之構件的類型 選擇適當的輸送系統。然熟知此技藝者必對其有一定程度 29 200811032 的了解，故於此不再贅述。 根據第五實施例之採用合成碳奈米管系統來合成碳齐 米管的方法將說明於下。 不 反應室1 a的金屬催化劑還原單元1 〇〇a及唆奈米管合 成單元20〇a為利用第一加熱構件11〇 盥 — 乐一加熱構件 2 10a來加熱至一預定溫度，如6〇〇t：至12〇〇。〇(步驟1)。 接著，利用連接上反應室ll〇a之惰性氣體注入管來提 供惰性軋體（例如氬氣或氮氣）給反應室（步驟2)。 —严 』符別疋若 鼠氣透過連接上反應室丨丨0a之惰性氣體注入管供應至反 應室’則當比重大於外界空氣比重的氬氣在移往上反應室 1 1 〇 a之左側或右側時，將迫使反應室内部的空氣炉由入口 2a興出 a排出反應 反應室1 a外而於反應室丨a内形成惰性氣體環境 其次，利用氣體供應單元50a提供氫氣及唆源氣體至 反應室1 a中（步驟3)。 卞然後，將金屬氧化物催化劑或容納含金屬氧化物催化 劑之催化材料的桶狀容器1 〇a從外部經由入 — a鞠达到反 心至（步驟4)。桶狀容器1 0 a是利用輸送單元丨5 &運輸。 催化材料可為粉末狀’且可包含氧化鎂（Mg〇)、氧化 鋁（Ah 〇3)、沸石、氧化矽等。使催化材料變太 性催化& a, X /丁、木級多孔 料的方法可包括溶膠-凝膠法、沉澱法、或浸潰法。 ::到反應室的桶狀…〇3中的金屬氧化物催化劑 二、:屬催化劑還原單元1〇〇a還原成金屬催化劑(步驟 ?如’若金屬氧化物催化劑為氧化鐵，則氧化鐵盘氫 30 200811032 氣反應後會轉變成純鐵與水。金屬氧化物催化劑可包括 I古、鎳、钥或其合金。 經過金屬催化劑還原單元1 0 0 a後，桶狀容器1 0 a之金 屬催化劑接著為輸送到碳奈米管合成單元200a。金屬催化 劑在碳奈米管合成單元200a中與碳源氣體反應而合成出 碳奈米管（步驟6)。 當然在合成碳奈米管時，可藉由調整碳源氣體的注入 量與碳奈米管合成單元2 0 0 a的溫度，而控制碳奈米管的生 長速度、尺寸、及結晶度。 特別是當金屬催化粒子本質上係固著於粉末狀催化材 料之奈米級孔洞時，金屬催化粒子即使在合成碳奈米管的 高溫下，也能被抑制不動，因此可合成出大小均勻的碳奈 米管。另外，使用數奈米大小且本質上係固著於粉末狀基 質之奈米級孔洞的金屬催化劑粒子來合成碳奈米管，並不 會形成非晶形碳團聚物，故亦可合成出高純度的碳奈米管。 含合成之碳奈米管的桶狀容器1 〇a隨後輸送到冷卻單 元300a，並由冷卻構件350a冷卻至室溫（步驟7)。或者不 進行此冷卻步驟，碳奈米管可先排出反應室外，再於外部 降溫。 冷卻後，合成之碳奈米管經由出口 3 a排出反應室外 (步驟8)。在取出桶狀容器10a中的碳奈米管後，新添入金 屬催化劑的桶狀容器1 0 a接著經由入口 2 a進入反應室。由 於桶狀容器1 0 a持續進出反應室，新添入桶狀容器1 0 a的 金屬催化劑亦不斷與碳源氣體反應而連續合成碳奈米管， 31 200811032 因而可大量製造碳奈米管。從桶狀容器l〇a取出合 奈米管及添入新的金屬催化劑至桶狀容器的方法可 般熟知的自動化設備。 一較佳實施例之合成碳奈米管的量產系統包括 置的金屬催化劑還原單元1 〇 〇 a、碳奈米管合成單元 及冷卻單元3 0 0 a，且具有連通外界空氣的開放結構 可用於連續合成碳奈米管。換言之，本發明是採用 程來合成碳奈米管，其可連續輸入金屬催化劑至反 並可連續將合成之碳奈米管從反應室排放至外部。 氣體注入管所供應至反應室的碳源氣體、氫氣 具有不同的比重，其中比重最小之氫氣為填入金屬 還原單元100a的上反應室110a，比重較大之乙烯 填入碳奈米管合成單元200a的中央反應室210a， 大之氬氣則填入反應室最底部的下反應室3 1 0a。製 時，因氣體供應單元5 0a的某些氣體注入管為連接 應室210a下部，故乙稀氣體與氫氣會上升，而氬氣 至反應室的氣體之中。即，氫氣經過中央反應室2 1 < 上升至上反應室 1 1 0 a，乙烯氣體則會上升至中央 2 1 0a，並迫使原本在中央反應室2 1 0a的氣體流動。 會促進當作碳源氣體的乙烯氣體接觸金屬催化劑， 生成碳奈米管。尤其因為乙烯氣體比重大於氫氣比 於氬氣比重，是以乙烯氣體會留在中央反應室 21 外，若中央反應室2 1 0 a的上、下端為瓶頸構造，則 應室210a更易於收集和保留乙稀氣體。 成之碳 採用一 依序配 200a ^ ，因此 連續製 應室， 與氬氣 催4匕劑 氣體為 比重最 程進行 中央反 會下沉 〕a後會 反應室 此流動 而有效 重且小 0 a °此 中央反 32 200811032 高溫氫氣為收集到入口 2 a上方的金屬催化劑還原單 元1 0 0 a。因高溫氫氣的比重小於外界空氣，故外界空氣總 是位於氫氣下方，而可避免外界空氣進入反應室la。特別 是，假設反應室1 a内部溫度為約9 0 0 °C，反應室1 a外部 溫度為約20 °C。由於1莫耳氫氣（22.4公升）在標準狀態下 (0°C =2 74K、1大氣壓）之重量為2公克，且根據查理定律 (ChaHe’s law)，氫氣在溫度約為900°C (1174Κ)的反應室中 體積會變大四倍，因此1莫耳氫氣（2 2.4公升）此時約重0.5 公克。同時，由於1莫耳空氣（22.4公升）在標準狀態下重 28.9公克，故1莫耳空氣（22.4公升）在室溫下（20 °C)約重 27公克。換言之，外界空氣比重比反應室入口處（空氣與 氫氣接觸處）的氫氣比重大約5 4倍，因比重差異，空氣將 一直位在氫氣下方，而不會穿越氫氣、進入反應室la。若 入口 /出口為朝下開啟，則比重小於外界空氣比重的氣體 (例如氫氣）應佔據在入口 /出口附近，以防止外界空氣滲入 反應室。 另外，反應室出口 3a下方的氬氣（分子量為 39.948) 是由冷卻單元3 0 0 a降溫且維持在室溫狀態，此時1莫耳氬 氣（2 2.4公升）約重 3 5公克。由於外界空氣的比重小於氬 氣，故外界空氣總是位於氬氣上方，而不會穿越氬氣、進 入反應室 1 a。若入口 /出口為朝上開啟，則比重大於外界 空氣比重的氣體（例如氬氣）應佔據在入口附近，以防止外 界空氣滲入反應室。 反應室内一定量的氫氣可經由上反應室 ll〇a的氫氣 33 200811032 排放管1 2 0 a排出反應室外。藉由使反應室入口 2 a處氫氣 接觸外界空氣部份的氫氣壓力與外界空氣壓力達到平衡， 可有效避免外界空氣滲入反應室。換言之，此結構是用來 維持反應室入口處氫氣壓力與外界空氣壓力間的平衡，其 可利用個別的氫氣排放管1 20a排放一定量的氫氣，及利用 氣體注入管注入過量氫氣至反應室來提高氫氣壓力，並避 免氫氣因壓力增加而從入口 2 a流出於外。即，儘管還原金 屬氧化物催化劑時，一定量的氫氣會與金屬氧化物催化劑 反應，仍可注入超過反應量的氫氣至反應室中來維持反應 室内的氫氣壓力達預定值以上。 在此，一定量氫氣由氫氣排放管1 2 0 a排出於外時，氫 氣會從金屬催化劑還原單元1 〇〇a的上反應室1 1 Oa流向氫 氣排放管120a，而導向反應室入口 2a，如此可避免從入口 2a引進外界空氣至反應室。 本發明之合成碳奈米管的量產系統可使不同比重之氣 體各自佔據反應室的特定區域，如此具開放結構之系統即 使其反應室為完全開放狀態，外界空氣也不會滲入反應室。 若氧氣經由空氣帶進反應室，則氧氣將立刻與碳源氣 體進行氧化反應而無法合成碳奈米管，且氧氣會與氫氣反 應而可能引起***。因此反應室中不能含有氧氣。 對習知使用氣相合成法量產碳奈米管的批次系統而 言，其反應室内部完全與外部隔絕，且在合成碳奈米管前， 會先填入惰性氣體於反應室來排出反應室中的氧氣與空 氣，以在反應室内部形成無氧環境。 34 200811032 上述習知系統在每一次合成碳奈米管時需重複移除反 應室中的氧氣、加熱反應室來合成碳奈米管、冷卻反應室、 以及取出合成之碳奈米管的步驟，因此其需要額外的準備 時間。習知合成碳奈米管的量產系統因受限於額外的準備 時間而相對壓縮了實際合成碳奈米管的時間，故其難以提 高生產率。 反之，本發明之合成碳奈米管的量產系統只在開始準 備合成碳奈米管的階段才需達成及維持合成碳奈米管時的 反應環境。是以根據本發明之合成碳奈米管的量產系統， 可連續製造碳奈米管，甚至在操作系統時也不需停止製造。 由於金屬催化劑為持續送入完全開放的反應室，因此 本發明之系統可連續合成碳奈米管。即使金屬催化劑從外 部送入反應室，碳奈米管合成單元200a仍可持續合成出碳 奈米管。 雖然反應室内部是完全連通外界空氣，但反應室特定 區域的氣體可徹底阻擋外界空氣進入反應室。即不同比重 之氣體分別佔據反應室的特定區域，並阻擋其他氣體滲入 其特定區域，進而阻止外界空氣滲入反應室。因佔據反應 室特定區域的氣體壓力與外界空氣壓力達平衡狀態，故外 界空氣無法進入反應室。 第7圖為根據本發明第六實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。如第7圖所示，第六實施例的量產系統包 括一反應室1 a，具有加熱構件和含内部空間的通道4 a，以 連繫反應室外部、以及一輸送單元15a，其經由通道4a輸 35 200811032 送金屬催化劑至反應室1 a。通道4 a是讓催化劑進出 室的地方，其可視為入口或出口。 在此實施例中，量產系統的反應室1 a包括朝下開 通道4a、以及位於通道4a上方之反應室内的碳奈米 成單元200a。 反應室設有氣體供應單元 50a，其包括氣體貯槽 體注入管，每一氣體注入管連接於反應室相關的氣 槽，且具有開/關閥以分別提供碳源氣體、氫氣與惰性 給反應室。 碳奈米管合成單元200a包括一喷灑頭230a，連 應室1 a上部的碳源氣體貯槽，且具有複數個噴嘴以均 入碳源氣體；一碳源氣體限制區 280a，位於喷灑頭 下方且其上端為開啟（如同沒有頂面的箱子）以收集碳 體；以及一設於反應室的加熱構件2 5 0a。 碳源氣體限制區280a具有盒狀結構，其由預定高 内壁圍繞且僅打開其頂面。喷灑頭230a設置比碳源氣 制區2 8 0 a内壁頂端還深。採用此結構，碳源氣體從喷 23 0a喷出後，會停留在碳源氣體限制區280a内。從 氣體限制區2 8 0 a溢流出的碳源氣體主要留在反應室一 喷灑頭的面積為大到足以涵蓋碳源氣體限制區之 頂面的大部分範圍。當然，碳奈米管合成單元於喷灑 碳源氣體限制區之間尚包括讓含催化劑之構件進入碳 體限制區的空間、以及讓含催化劑之構件離開碳源氣 制區的空間。如此，喷灑頭可有效避免比碳源氣體輕 反應 啟的 管合 與氣 體貯 氣體 接反 勻注 23 0a 源氣 度之 體限 灑頭 碳源 「部。 開啟 頭與 源氣 體限 的氫 36 200811032 氣進入碳源氣體限制區，並可讓含催化劑之構件進出碳源 氣體限制區，藉以維持碳奈米管的合成效率。 碳源氣體限制區 280a的上端包括餘裕（leeway )空 間，以供桶狀容器（即含催化劑之構件）從一上側進入並從 另一上側離開。如此5碳源氣體限制區的破源氣體將在反 應區域中與金屬催化劑反應，此反應區域乃位於碳源氣體 限制區上之佔據餘裕空間的氫氣下方。 碳源氣體限制區2 8 0 a設有排放管2 8 5 a，用以排放水、 殘餘的碳源氣體與其他副產物。若過量供應碳源氣體至反 應室，則部份碳源氣體經由排放管2 8 5 a排到外部。碳源氣 體限制區2 8 0 a是用來收集比氫氣重的碳源氣體，且不限於 盒狀結構。碳源氣體限制區2 8 0a可為任一具開放上部、封 閉周圍和底面的結構。 附加至反應室的加熱構件加熱整個反應室内部。當桶 狀容器10a經由通道4a進入反應室時，桶狀容器10a内的 金屬氧化物催化劑在桶狀容器1 〇a到達碳源氣體限制區 280a前，會先與由氣體注入管注入反應室的氫氣反應而還 原，藉以移除反應室中的氧。於是，本身充滿氫氣的反應 室為當作金屬催化劑還原單元，以還原金屬催化劑。 此外，反應室包括一分離的誘導還原導引面，其接觸 碳源氣體限制區側邊，以確定金屬催化劑的還原。誘導還 原導引面具有足夠的側向長度，以確保含催化劑之構件沿 反應室上部空間移動的時間夠長來還原其中的金屬氧化物 催化劑。雖然本實施例為包括分離的誘導還原導引面，但 37 200811032 本發明並不限於此結構。或者，輸送單元可配置呈適當的 運輸路徑，使含催化劑之構件在到達碳源氣體限制區前， 已沿著反應室上部移動足夠的距離，因而有充足的時間來 還原金屬氧化物催化劑。 通道4a從反應室向下延伸一預定距離。反應室更包括 一冷卻單元300a，位於通道4a附近且包含冷卻構件350a， 以冷卻排出反應室外的碳奈米管。 氫氣排放管1 2 0 a形成在通道4 a —側。氣體供應單元 5 0a若提供過量的氫氣將會持續提高氫氣壓力。此時需排 出一定量的氫氣至反應室外，以保持通道4a處接觸外界空 氣的氫氣壓力與外界空氣壓力間的平衡。為達此目的，氫 氣的排放是使用氫氣排放管1 2 0 a，而非通道4 a。氫氣排放 管1 2 0 a設在反應室下部，可使氫氣在高溫條件下上升至反 應室上部時不會直接排放至外部，而是充分留在反應室， 藉以有效提高反應室内的氫氣壓力。 由於反應室外的外界空氣比重大於氫氣比重，因此外 界空氣會保持在氫氣下方。加上通道4 a為朝下開啟，故比 重較大的外界空氣將無法滲入充滿氫氣的反應室。再者， 維持通道4a處之氫氣接觸外界空氣的氫氣壓力和外界空 氣壓力間的平衡，也可防止外界空氣進入反應室。 儘管此實施例之量產系統的通道4 a為朝下開啟，然比 重大於反應室之高溫氫氣的外界空氣一直位於氫氣下方， 因而可避免外界空氣滲入反應室la。 在此實施例中，氬氣注入管為連接反應室的喷灑頭。 38 200811032 依此結構，在反應準備階段注入的氬氣會下推擠 應室的空氣，使空氣從通道排出，進而使反應室 惰性氣體環境。接著，氫氣及碳源氣體提供至反 原金屬催化劑，藉以合成碳奈米管。第六實施例 件與製程與第一實施例雷同，故於此不再贅述。 第8圖為根據本發明第七實施例之合成碳奈 產系統截面圖。如第8圖所示，第七實施例的量 第六實施例相同的部份為，桶狀容器1 0 a(即含催 件）可經由通道4 a進出系統。第七實施例與第六 同的部份則在於通道4 a為朝上開啟且連接U型 第七實施例的量產系統更包括一輸送單元 1 5 a， 含金屬氧化物催化劑的桶狀容器1 0 a至反應室内 碳奈米管、以及將桶狀容器傳出反應室外。 U型部4 0 0 a從通道4 a向下延伸、轉彎且水 定距離後，延伸端連接至用於合成碳奈米管的碳 成單元200a 〇 U型部400a構成一冷卻單元300a，其包括 部4 0 0 a附近的冷卻構件3 5 0 a。U型部4 0 0 a旁則 催化劑還原單元1 0 0 a和碳奈米管合成單元2 0 0 a 内。 當冷卻構件3 5 0 a冷卻U型部4 0 0 a時，U : 為充滿由氣體供應單元50a之氬氣注入管注入且 度的氬氣。冷卻之氬氣的比重相對提高到大於外 比重。因此在反應室通道4 a處，外界空氣將一直 原存於反 内部變成 應室來還 的其他元 米管的量 產系統與 化劑之構 實施例不 部 4 0 0 a ° 用來傳輸 ，以合成 平延伸一 奈米管合 置於U型 設有金屬 於反應室 S ^ 400a 達預定高 界空氣的 位在具較 39 200811032 大比重之氬氣的上方，而可阻擋外界空氣進入反應室1 a。 佔據U型部4 0 0 a的氣體可為與氬氣一樣之任一比重大於 外界空氣比重的惰性氣體。 反應室具有一水平延伸部1 〇 5 a，其從U型部4 0 0 a彎 折，並由反應室外部的加熱構件加熱。在水平延伸部1 0 5 a 中，氫氣注入管提供給反應室的氫氣會與由輸送單元 15a 引入反應室水平延伸部1 0 5 a的金屬氧化物催化劑反應，進 而移除金屬氧化物催化劑中的氧。經過水平延伸部 l〇5a 後，含催化劑之構件緊接著傳送到後反應室2 0 5 a的頂面。 如此即使殘有少量未還原的金屬氧化物催化劑，其仍可由 後反應室2 0 5 a上部的氫氣還原，而完全還原金屬氧化物催 化劑。水平延伸部1 0 5 a不侷限於第8圖所示的長度，其可 具有使金屬氧化物催化劑充分還原的長度。 連接水平延伸部l〇5a的後反應室205a包括一預定大 小的内部空間、以及一置於上部的噴灑頭2 3 0 a，以均勻注 入碳源氣體。後反應室2 0 5 a包括一設於上部的氫氣排放管 2 0 7a，用以排放比碳源氣體輕之氫氣到外部、以及一設於 下部的加熱構件 250a。由輸送單元 15a運送至後反應室 205a的含催化劑之構件在通過喷灑頭230a下方時，内含 之金屬氧化物催化劑會與碳源氣體反應而合成碳奈米管。 合成之碳奈米管隨著含催化劑之構件由輸送單元1 5 a沿相 同路徑送出反應室外。 後反應室2 0 5 a的底面係比水平延伸部1 0 5 a深，且喷 灑頭23 0a設置於靠近後反應室205a底面。依此結構，後 40 200811032 反應室2 0 5 a可使碳源氣體聚集在底部的預訂空間，而 一反應區域供金屬催化劑與碳源氣體反應。因金屬催 直接通過後反應室20 5 a底面的上方，故其可與聚集於 碳源氣體反應，進而有效合成碳奈米管。換言之，後 室2 0 5 a的底面比水平延伸部1 0 5 a還深，可使比氫氣 碳源氣體因重力而聚集在後反應室205a的下部空間， 提供反應效率。 其他元件在參考上述實施例後必能清楚了解，故 不再贅述。 第9圖為根據本發明第八實施例之合成碳奈米管 產系統截面圖。如第9圖所示，第八實施例的量產系 似第七實施例的量產系統，除了第八實施例的量產系 包括U型部，且通道為朝下開啟。 因從朝下開啟的通道至反應室為填滿氫氣，是以 室外的空氣無法進入反應室。外界空氣無法進入反應 原因已詳述於第五及第六實施例，故於此不再贅述。 第八實施例的量產系統不同於第七實施例的部份 括氫氣排放管2 0 7 a為設在通道上部。形成在通道附近 氣排放管2 0 7 a可防止氫氣由通道排放。 根據上述實施例之量產系統，若碳奈米管合成 2 0 0 a具有較長的長度供含催化劑之構件移動，則其可 的時間將隨之拉長，藉此可提高輸送含催化劑之構件 度。換言之，當決定了合成反應的時間和反應室溫度 若碳奈米管合成單元2 0 0 a的長度較長，則可加快金屬 形成 化劑 此的 反應 重的 進而 於此 的量 統類 統不 反應 室的 還包 的氫 單元 反應 的速 時， 催化 41 200811032 劑輸入反應室的速度，因而可提高生產效率。 在上述實施例之量產系統中，雖然加熱構件和冷卻構 件3 5 0 a為設置在反應室外部，但本發明並不限於此結構。 這些元件可設置在任一適合加熱及冷卻的位置。 根據本發明，量產系統可依反應室形狀來安排一或多 個不同比重氣體佔據區域。此外，彼此隔開的不同比重氣 體佔據區域可填入相同或不同的氣體。 輸送含催化劑之構件的機構不限於使用運輸帶，其可 使用其他熟知的運輸構件。 反應室的碳源氣體限制區 2 8 0a是用來加強碳奈米管 的合成效率，並且用來聚集碳源氣體到特定位置。 雖然本發明實施例採用分離的冷卻構件來冷卻合成之 碳奈米管至室溫狀態，但本發明並不限於此結構；碳奈米 管可在排出反應室外後，再於外部冷卻之。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 本發明可應用於採用氣相合成法來合成碳奈米管的量 產系統。特別是，本發明可應用於大量合成碳奈米管的方 法，其使用具開放型反應室的量產系統。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述與其他目的、特徵、和優點能更明 42 200811032 顯易懂，茲配合所附圖式加以說明如下： 第1圖為根據本發明第一實施例之採用氣相合成法來 合成碳奈米管的量產系統示意圖； 第2圖為根據本發明第一實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖，其繪示氣體在反應室内的狀態； 第3圖為根據本發明第二實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖； 第4圖為根據本發明第三實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖； 第5圖為根據本發明第四實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖； 第6圖為根據本發明第五實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖； 第7圖為根據本發明第六實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖； 第8圖為根據本發明第七實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖；以及 第9圖為根據本發明第八實施例之合成碳奈米管的量 產系統截面圖。 【主要元件符號說明】 1、la 反應室 2、2 a 入ο 3 > 3a 出口 4 a 通道 5 沈降 部 10 船形容器 43 200811032 10a 桶狀容 器 20a 、 120a 排放管 60 、 70 、 80 貯槽 105a 延伸部 110a 上反應室 1 3 0、3 3 0 排氣管 200 ^ 200a 合成單元 207a 、 285a 排放管 212 > 230a 喷灑頭 210 、 250a 加熱構件 310、 350a 冷卻構件 400 、 400a U型部 輸送單元 50a 氣體供應單元 > 100a 還原單元 、150a 加熱構件 、3 1 2 喷嘴 A型部 a 後反應室 a 中央反應室 、280a 碳源氣體限制區 、300a 冷卻單元 a 下反應室 44