СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР И АППАРАТ

1. Способ получения углеродных наноструктур путем разложения газообразных углеводородов в реакционной камере в присутствии катализатора и при температуре 600-1200°C, характеризующийся тем, что он включает следующие стадии:
(а) получение рабочей смеси, имеющей температуру 400-1400°C, включающей наночастицы, содержащие вещество катализатора, несущий газ и газообразные углеводороды, причем наночастицы, содержащие вещество катализатора, имеют средний размер не более 100 нм, преимущественно 1-40 нм, и образуются путем конденсации паров или продуктов разложения химических соединений, содержащих вещество катализатора;
3
(б) введение рабочей смеси в реакционную камеру объемом не менее 0,03 м и расстоянием между ее противоположными стенками, или ее диаметром, не менее 0,1 м;
(в) выведение из реакционной камеры углеродных наноструктур в потоке газообразных продуктов разложения углеводородов;
(г) отделение углеродных наноструктур от газообразных продуктов разложения углеводородов.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что скорость рабочей смеси на входе в реакционную камеру поддерживают такой, чтобы время пребывания в ней названной смеси составляло 0,05 - 100 мин.
x
2x
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что газообразный углеводород выбирают из ряда: природный газ, метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, этилен, пропилен, алифатические углеводороды, или углеводороды, в которых количество атомов углерода находится в диапазоне от 1 до 10, или моно- или бициклические с сочлененными или изолированными кольцами ароматические углеводороды и олефины CH, где x равно или 2, или 3, или 4, пары антрацена, или антраценового масла, или другой газообразный углеводорода, или углеводород с высоким давлением насыщенных паров, этиловый спирт; или смесь двух, трех и более из них.
4. Способ п.1, характеризующийся тем, что вещество катализатора выбирают из ряда переходных металлов: Группы 5В, Группы 6В, Группы 8, преимущественно, железо, или смесь двух, трех или более переходных металлов.
5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что несущий газ выбирают из ряда: инертный газ, или водород, или азот, или аммиак, или углеводород, или пары спирта, или смесь двух, трех и более из них.
6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы, содержащие вещество катализатора, включают зародыши углеродных наноструктур.
4
7
2
7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что пары, содержащие вещество катализатора, получают в камере испарения в атмосфере проточного газа путем электрического взрыва проволоки, содержащей вещество катализатора, при пропускания через нее импульса тока плотностью 10-10 А/мм.
8. Способ по п.7, характеризующийся тем, что проточный газ выбирают из ряда: инертный газ, углеводород или пары спирта, или смесь двух, трех и более из них.
9. Способ по п.7, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси проточный газ с наночастицами, содержащими вещество катализатора, смешивают с газообразными углеводородами и затем эту смесь смешивают с несущим газом, причем проточным газом является инертный газ, или азот, или углеводород, или их смесь.
10. Способ по п.7, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси проточный газ с наночастицами, содержащими вещество катализатора, смешивают с несущим газом и затем эту смесь смешивают с газообразными углеводородами, причем проточным газом является инертный газ или азот.
11. Способ по п.7, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси проточный газ с наночастицами, содержащими вещество катализатора, смешивают с несущим газом, причем проточным газом являются газообразные углеводороды или смесь углеводородов с инертным газом или азотом.
12. Способ по п.1, характеризующийся тем, что пары, содержащие вещество катализатора, получают в камере испарения дуговым электрическим разрядом, который формируют между двумя электродами, по меньшей мере, один из которых выполнен в форме открытого резервуара, наполненного металлом, содержащим вещество катализатора, и, по меньшей мере, частично расплавлен под действием дугового электрического разряда.
13. Способ по п.1, характеризующийся тем, что пары, содержащие вещество катализатора, получают в камере испарения дуговым электрическим разрядом, который формируют между двумя электродами, каждый из которых выполнен в форме открытого резервуара, наполненного металлом, содержащим вещество катализатора, и, по меньшей мере, частично расплавлен под действием дугового электрического разряда, при этом камера разделена на две части и каждый электрод находится в отдельной части, а названные части соединены между собой разрядным каналом, в который вводят плазмообразующий газ в форме вихревого потока.
14. Способ по п.13, характеризующийся тем, что плазмообразующий газ выбирают из ряда: газообразный углеводород, или инертный газ, или водород, или азот, или аммиак, или смесь, по меньшей мере, двух из них.
15. Способ по п.12 или 13, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси несущий газ пропускают через камеру испарения и затем смешивают с газообразными углеводородами.
16. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси, жидкое металлоорганическое вещество испаряют, нагревая его, по меньшей мере, до температуры его кипения, а полученные пары нагревают, по меньшей мере, до температуры их разложения.
17. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси, твердое металлоорганическое вещество расплавляют, нагревая его, по меньшей мере, до температуры его плавления, затем испаряют, нагревая его, по меньшей мере, до температуры его кипения, а полученные пары нагревают, по меньшей мере, до температуры его разложения.
18. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на стадии получения рабочей смеси металлоорганическое вещество в форме тонкодисперсного порошка распыляют газом-распылителем и испаряют, нагревая полученную смесь, по меньшей мере, до температуры его кипения, и разлагают его пары путем дальнейшего нагревания, по меньшей мере, до температуры его разложения.
19. Способ по п.16, или 17, или 18, характеризующийся тем, что пары металлорганического соединения нагревают до температуры его разложения путем их смешения с несущим газом, нагретым до температуры 400-1400°C.
20. Способ по п.19, характеризующийся тем, что пары металлоорганического соединения перед смешением с несущим газом предварительно смешивают с газообразными углеводородами.
21. Способ по п.20, характеризующийся тем, что газообразные углеводороды предварительно нагревают до температуры не ниже 400°C.
22. Способ по пп.16-18, характеризующийся тем, что несущий газ после смешения с парами металлоорганического соединения смешивают с газообразными углеводородами.
23. Способ по п.16, характеризующийся тем, что жидким металлоорганическим соединением преимущественно является пентакарбонил железа.
24. Способ по п.17 или 18, характеризующийся тем, что металлоорганическое соединение преимущественно выбирают из ряда: ферроцен, никелецен, кобальтоцен.
25. Способ по п.1, характеризующийся тем, что углеродные наноструктуры, осевшие или сформировавшиеся на стенках реакционной камеры, удаляют с помощью механического средства.
26. Способ по п.1, характеризующийся тем, что рабочую смесь перед подачей в реакционную камеру нагревают.
3
27. Аппарат для получения углеродных наноструктур, включающий реакционную камеру, снабженную входом для рабочей смеси и выходом для продуктов разложения углеводородов, характеризующийся тем, что он содержит, по меньшей мере, одно средство подготовки рабочей смеси, включающей наночастицы, содержащие вещество катализатора, несущий газ и газообразные углеводороды, и фильтр для отделения углеродных наноструктур от газообразных продуктов разложения углеводородов, причем реакционная камера имеет объем не менее 0,03 м и минимальное расстояние между ее противоположными стенками, или диаметр, не менее 0,1 м.
4
7
2
28. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси содержит камеру испарения, снабженную источником электрических импульсов, в которой расположена тонкая металлическая проволока, содержащая вещество катализатора, способная взрываться при пропускании через нее импульса электрического тока плотностью 10-10 А/мм, при этом камера снабжена входом для проточного газа и выходом для его смеси с наночастицами, содержащими вещество катализатора, а также, по меньшей мере, одним узлом смешения названной смеси с газообразными углеводородами или несущим газом.
29. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает камеру испарения, содержащую два электрода, один из которых содержит вещество катализатора и способен плавиться и испаряться под действием дугового электрического разряда между названными электродами, причем камера снабжена входом для несущего газа и выходом для смеси несущего газа с наночастицами, содержащими вещество катализатора, а также узел смешения смеси несущего газа с названными наночастицами и газообразными углеводородами.
30. Аппарат по п.29, характеризующийся тем, что электрод, содержащий вещество катализатора, выполнен в форме открытого резервуара, наполненного металлом, содержащим вещество катализатора.
31. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает камеру испарения, содержащую два электрода, каждый из которых выполнен в форме открытого резервуара, наполненного металлом, содержащим вещество катализатора, и который способен плавиться и испаряться под действием дугового электрического разряда между названными электродами, причем камера разделена на две части и каждый электрод расположен в отдельной части, при этом названные части камеры соединены между собой разрядным каналом, который снабжен входом для плазмообразующего газа, выполненным таким образом, что плазмообразующий газ образует в канале вихревой поток, при этом камера снабжена входом для несущего газа и выходом для смеси несущего газа с наночастицами, содержащими вещество катализатора, а также узел смешения смеси несущего газа с названными наночастицами и газообразными углеводородами.
32. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает канал испарения и канал разложения металлоорганического соединения, снабженные нагревателями, вход для несущего газа и выход для несущего газа с наночастицами, содержащими вещество катализатора, а также узел смешения его с газообразными углеводородами.
33. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает канал испарения и канал разложения металлоорганического соединения, снабженные нагревателями, вход для газообразных углеводородов и выход для смеси газообразных углеводородов с парами металлоорганического соединения, а также узел смешения их с несущим газом.
34. Аппарат по п.32 или 33, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает камеру плавления металлоорганического соединения, соединенную с каналом испарения и выполненную с возможностью дозированной подачи названного соединения в названный канал.
35. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что средство подготовки рабочей смеси включает контейнер для порошка металлоорганического соединения, который соединен через дозатор с каналом распыления названного порошка, который соединен с каналом испарения металлоорганического соединения, который соединен с каналом разложения металлоорганического соединения, имеющим вход для несущего газа и выход для несущего газа с наночастицами, содержащими вещество катализатора, а также узел смешения их с газообразными углеводородами.
35. Аппарат по п.27, характеризующийся тем, что реакционная камера снабжена средством очистки стенок от наноструктур, осевших или сформировавшихся на стенках реакционной камеры.