[0001] 本实用新型属于碳材料掺杂改性领域，具体而言，本实用新型涉及碳材料氮掺杂系统。

[0002] 现有的碳材料掺杂装置多是借助回转炉、气氛炉等热解装置，且多是将固相掺杂源与碳材料混合热解。掺杂源在升温过程中大量分解并随尾气排出，导致掺杂源利用效率
低，同时降低碳材料的掺杂效果。

[0003] 因此，现有碳材料掺杂技术有待进一步改进。实用新型内容

[0004] 本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种碳材料氮掺杂系统。该系统为液态氮源对碳材料进行氮掺
杂提供了一种可能，且氮源利用率高，掺杂效果好，工艺简单、能耗低。

[0005] 在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种碳材料氮掺杂系统，根据本实用新型的实施例，该系统包括：

[0006] 汽化器，所述汽化器内设有加热器，并且所述汽化器上设有液态氮源入口、氮气入口和混合气出口；

[0007] 反应器，所述反应器内具有自下而上的反应区和出气区，所述反应区设有气体分布器和混合气入口，所述混合气入口的出气端设在所述气体分布器下方，所述混合气入口
与所述混合气出口相连，所述气体分布器上布置有碳材料，所述出气区设有尾气出口，在所
述反应区和/或所述出气区设有氮掺杂碳材料出口。

[0008] 根据本实用新型实施例的碳材料氮掺杂系统，通过将液态氮源供给至汽化器中汽化，可将液态氮源汽化为气态，同时，氮气作为载气，可将汽化后的氮源送至反应器中。在反
应器里，碳材料与含有氮源的混合气在反应区高温条件发生反应，混合气中不含有水，碳材
料中的碳可与氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N、C≡N的氮掺杂碳材料，同时，反
应过程中会伴随着气体产生，对调节碳材料的孔径有一定作用。反应器内，因混合气本身具
有一定温度，可降低反应器的能耗，实现液态氮源对碳材料的氮掺杂。相较于现有的将固相
掺杂源与碳材料直接混合热解的技术，本申请采用液态氮源作为掺杂源，且将液态氮源汽
化后再送进反应器内与碳材料反应，避免了掺杂源的浪费，显著提高了掺杂源的利用率，同
时汽化后的氮源本身具有一定温度，可降低反应器内的能耗，同时可提高反应器碳材料的
氮掺杂效率。由此，该系统为液态氮源对碳材料进行氮掺杂提供了一种可能，且氮源利用率
高，掺杂效果好，工艺简单、能耗低。

[0009] 另外，根据本实用新型上述实施例的碳材料氮掺杂系统还可以具有如下附加的技术特征：

[0010] 任选的，在高度方向上，所述液态氮源入口位于所述氮气入口的上方。由此，可充分利用氮气的动能实现氮气作为液态氮源汽化后气体的载气功能。

[0011] 任选的，所述反应器为流化床反应器。由此，有利于实现氮源对碳材料的氮掺杂作用。

[0012] 任选的，所述出气区的直径大于所述反应区的直径。由此，有利于反应区得到反应尾气的顺行。

[0013] 任选的，所述出气区的下端形成渐缩部，所述渐缩部的下端与所述反应区上端相连。

[0014] 任选的，所述出气区的直径与所述反应区的直径比为1～3：1。

[0015] 任选的，所述出气区与所述反应区的高度比为0.05～5：1。

[0016] 任选的，上述碳材料氮掺杂系统进一步包括：液态氮源供给装置，所述液态氮源供给装置与所述液态氮源入口相连。由此，有利于为系统提供液态氮源。

[0017] 任选的，上述碳材料氮掺杂系统进一步包括：计量泵，所述计量泵分别与所述液态氮源供给装置和所述液态氮源入口相连。由此，有利于控制通入反应器内氮源的量，提高氮
源的利用率。

[0018] 任选的，所述氮掺杂碳材料出口设在所述反应区的侧壁和/或所述反应区的底部和/或所述出气区的顶部。由此，有利于反应的顺行。

[0019] 本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

[0025] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参
考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型
的限制。

[0026] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装
置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型
的限制。

[0027] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是
机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个
元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技
术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0028] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特
征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅
表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以
是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0029] 在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种碳材料氮掺杂系统，根据本实用新型的实施例，参考图1，该系统包括：汽化器100和反应器200。

[0030] 根据本实用新型的实施例，汽化器100内设有加热器11，并且汽化器100上设有液态氮源入口101、氮气入口102和混合气出口103，且适于汽化液态氮源，并将汽化后液态氮
源与氮气混合，以便得到混合气。具体的，通过将液态氮源供给至汽化器中汽化，可将液态
氮源汽化为气态，同时，氮气作为载气，可将汽化后的氮源送至反应器中。需要说明的是，氮
源是指存在于含氮物中的氮源，本申请中所述的液态氮源并不受特别控制，本领域技术人
员可以根据实际需要进行选择，同时液态氮源和氮气的体积比也不受特别控制，氮气流量
可以满足碳材料流化状态即可，液态氮源流量根据不同碳材料和掺杂效果待定。在汽化器
内，对于液态氮源的汽化温度，本领域技术人员可以根据实际选择的液态氮源进行选择，只
要能让液态氮源汽化即可。

[0031] 根据本实用新型的一个实施例，在高度方向上，液态氮源入口101可位于氮气入口102的上方。由此，液态氮源进入到汽化器内便被汽化器内的高温汽化成为气态氮源，气态
氮源再在来自其下方的氮气的运动势能作用下，和氮气一起作为混合气从混合气出口离开
汽化器，充分利用了氮气本身的运动势能，有利于节约系统能耗。

[0032] 根据本实用新型的实施例，参考图1，反应器200内具有自下而上的反应区21和出气区22。其中，反应区21设有气体分布器23、混合气入口201，并且混合气入口201的出气端
设在气体分布器23的下方，混合气入口201与混合气出口103相连，在反应区21和/或出气区
22设有氮掺杂碳材料出口202，例如氮掺杂碳材料出口202设在反应区21的侧壁和/或底部
和/或出气区22的顶部，优选的，如图2所示，反应区21的侧壁和底部以及出气区22的顶部均
设有氮掺杂碳材料出口202，并且，设置在反应区21侧壁的氮掺杂材料出口202设在气体分
布器23上方的反应区21的侧壁上。具体的，将汽化器得到的混合气从气体分布器下方供给，
该混合气可以对气体分布器上的碳材料进行流化，同时该混合气经气体分布器分散后在反
应区均匀分散，增大了其与碳材料的接触面积，从而提高碳材料的氮掺杂效率。发明人发
现，在反应区，碳材料与含有氮源的混合气在高温下发生反应，混合气中不含有水，碳材料
中的碳可与氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N键、C≡N键的氮掺杂碳材料，同时，
反应过程中会伴随着气体产生，对调节碳材料的孔径有一定作用。反应区内，因来自汽化器
的混合气本身具有一定温度，可降低反应区的能耗，实现液态氮源对碳材料的氮掺杂。相较
于现有的将固相掺杂源与碳材料直接混合热解的技术，本申请采用液态氮源作为掺杂源，
且将液态氮源汽化后再送进反应器内与碳材料反应，避免了掺杂源的浪费，显著提高了掺
杂源的利用率，同时汽化后的氮源本身具有一定温度，可降低反应器内的能耗，同时可提高
反应器碳材料的氮掺杂效率。需要说明的是，碳材料与液态氮源的固液比以及混合气的流
量并不受特别限制，只要能满足混合气对碳材料的氮掺杂即可。反应区内，碳材料氮掺杂的
温度可以为350℃-1000℃，碳材料可以为碳纳米管、石墨烯、炭黑、活性炭等。优选的，气体
分布器23可以为气体分布板，其设在反应区21下方区域的中心位置，混合气入口201的出气
端可设在气体分布器23的正下方，并且气体分布板的直径可以等于或小于反应区的内径，
对此本领域技术人员可以根据是实际需要进行选择，例如，氮掺杂碳材料出口202设在反应
区21底部时，气体分布板的直径小于反应区的内径。

[0033] 根据本实用新型的一个实施例，出气区22设有尾气出口203，且适于将反应区21得到的反应尾气排出。例如该尾气出口201设在出气区22的顶部。需要说明的是，本申请中的
尾气出口203和设在出气区22顶部的氮掺杂碳材料出口202可以为同一个口也可以为单独
的两个口，对此本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如如图2所示，尾气出口203
和设在出气区22顶部的氮掺杂碳材料出口202可以为同一个口。

[0034] 根据本实用新型的再一个实施例，参考图1，出气区22的直径大于反应区21的直径，优选的，出气区22的直径与反应区21的直径比为1～3：1，更优选范围为1.2～2：1。发明
人发现，若出气区22的直径与反应区21的直径比过低，出气区22气速过高，不利于氮掺杂碳
材料在出气区22沉降，并落回反应区21；而若出气区22的直径与反应区21的直径比过高，增
加设备加工制作费用。根据本实用新型的一个具体实施例，参考图1，出气区22的下端形成
渐缩部221，渐缩部221的下端与反应区21上端相连。需要说明的是，“渐缩部”可以理解为
“直径逐渐缩小”的部分，即沿着出气区到反应区的方向上，渐缩部的直径逐渐缩小，并且
“出气区的直径”可以理解为出气区除渐缩部以外的区域的直径。

[0035] 根据本实用新型的又一个实施例，出气区22与反应区21的高度比并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本实用新型的一个具体实施例，出气
区22与反应区21的高度比可以为0.05～5：1。发明人发现，若出气区22的高度与反应区21的
高度比过低，气流携带的氮掺杂碳材料在出气区22停留时间过短，不利于氮掺杂碳材料在
出气区22沉降，并落回反应区21；若出气区22的高度与反应区21的高度比过高，导致氮掺杂
碳材料在出气区22积聚，不利于稳定运行。根据本实用新型的一个实施例，反应器200可以
为流化床反应器。由此，可使得碳材料在反应器内被一定流速的混合气强烈搅动，使碳材料
像沸腾的液体一样并有具有液体的一些特性，进而可显著提高碳材料的氮掺杂效率，提高
氮源的利用率，提高氮掺杂碳材料的品质。

[0036] 根据本实用新型实施例的碳材料氮掺杂系统，通过将液态氮源供给至汽化器中汽化，可将液态氮源汽化为气态，同时，氮气作为载气，可将汽化后的氮源送至反应器中。在反
应器里，碳材料与含有氮源的混合气在反应区高温条件下发生反应，混合气中不含有水，碳
材料中的碳可与氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N、C≡N的氮掺杂碳材料，同时，
反应过程中会伴随着气体产生，对调节碳材料的孔径有一定作用。反应器内，因混合气本身
具有一定温度，可降低反应器的能耗，实现液态氮源对碳材料的氮掺杂。相较于现有的将固
相掺杂源与碳材料直接混合热解的技术，本申请采用液态氮源作为掺杂源，且将液态氮源
汽化后再送进反应器内与碳材料反应，避免了掺杂源的浪费，显著提高了掺杂源的利用率，
同时汽化后的氮源本身具有一定温度，可降低反应器内的能耗，同时可提高反应器碳材料
的氮掺杂效率。由此，该系统为液态氮源对碳材料进行氮掺杂提供了一种可能，且氮源利用
率高，掺杂效果好，工艺简单、能耗低。

[0037] 根据本实用新型的实施例，参考图3，上述碳材料氮掺杂系统进一步包括：液态氮源供给装置300。

[0038] 根据本实用新型的实施例，液态氮源供给装置300与液态氮源入口101相连，且适于为汽化器提供液态氮源。需要说明的是液态氮源的具体类型并不受特别限制，本领域技
术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为聚丙胺、乙腈、吡咯、吡啶等。

[0039] 根据本实用新型的实施例，参考图4，上述碳材料氮掺杂系统进一步包括：计量泵400。

[0040] 根据本实用新型的实施例，计量泵400分别与液态氮源供给装置300和液态氮源入口101相连。由此，有利于控制通入反应器内氮源的量，提高氮源的利用率。

[0041] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表
述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以
在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域
的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进
行结合和组合。

[0042] 尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围
内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。