CN101054159A - 一种制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用乙醇催化裂解制高纯氢气和协同生长碳纳米管的方法。其技术要点是使用乙醇为碳－氢源进行催化裂解，在催化剂组成中，载体材料为氧化物，Fe、Co、Ni、Mo或Ce的摩尔百分比为10％－90％，所述的氧化物载体材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂、ZrO₂、MoO₃、Ag₂O或TiO₂，所述催化反应裂解温度为500～800℃。本发明利用无毒、来源广泛且可再生的乙醇作反应源，成本低廉且有重要的能源战略意义。

Description

一种制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法

技术领域

本发明涉及催化裂解制氢和碳纳米管技术领域。更特别的是，本发明涉及一种利用乙醇催化裂解制高纯氢气和协同生长碳纳米管的方法。

背景技术

能源和环境是目前人类社会面临的两大基本问题。氢气不仅是可以再生的资源，而且是没有任何环境污染的能源，因此，氢能被视为本世纪最具发展潜力的替代能源。然而，制约氢能源广泛应用的主要障碍之一是低成本、大规模且可再生的制氢技术。

目前成熟的制氢方法有：电解水、催化裂解天然气体如甲烷等和催化重整含氢化合物如甲醇等。但是，上述方法不是存在能耗高就是用不可再生的资源为原料。

自从1991年饭岛(Iijima S.)发现碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)以来，CNT以其独特的结构和物理、化学特性，在场发射、微电子器件等诸多领域显示出了重要的应用前景。但是，制备碳纳米管常用的原料为不可再生资源，如甲烷、乙炔等化石燃料。

S.Maruyama等最早提出用乙醇为碳源制备碳纳米管的方法，制备出了质量很高的单壁碳纳米管，其研究中并未涉及氢气的协同制备，显然，乙醇利用效率不高(Maruyama，S.；Kojima，R.；Miyauchi，Y.；Chiashi，S.；Kohno，M.Chem.Phys.Lett.2002，360，229.)。Goula，M.A.等对乙醇的催化重整制氢及其反应机理做了深入的研究，但他们未涉及碳纳米管的协同制备。(Goula，M.A.；Kontou，S.K.；Tsiakaras，P.E.Appl.Catal.B 2004，49，135.)

发明人使用不同的催化剂，利用可再生的生物质乙醇同时作为氢源和碳源，催化裂解制备大量高纯氢气的同时得到形状各异的碳纳米管和可控的、尺寸分布均匀的、大面积定向生长和图案化的碳纳米管阵列，这种方法是迄今没有人报道的。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、大规模制高纯度氢气并协同生产碳纳米管的方法，催化裂解无毒、来源广泛且可再生的乙醇，以提高乙醇的利用效率。

本发明的实现过程如下：

一种制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，特别之处在于使用乙醇为碳-氢源进行催化裂解。催化剂组成中，载体材料为氧化物，Fe、Co、Ni、Mo或Ce的摩尔百分比为10％-90％，所述的氧化物载体材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂、ZrO₂、MoO₃、Ag₂O或TiO₂。催化剂组成可表示为金属/氧化物，如45mol％的Fe/Al₂O₃表示Fe的摩尔百分比为45mol％，即Fe％＝Fe/(Fe+Al)＝45/(45+55)＝45％。上述催化反应裂解温度为500～800℃。

上述催化剂制备方法按如下步骤进行：

(1)在70-100℃，将Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐以及载体金属可溶盐的混合溶液加至尿素溶液中生成沉淀；

(2)洗涤沉淀并烘干，于300-500℃煅烧；

(3)Ar/H₂混合气氛中还原上述煅烧后产品。

上述催化剂制备方法还可按如下步骤进行：

(1)向Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐以及载体金属可溶盐的混合溶液中加浓氨水或尿素溶液；

(2)将上述混合体系进行水热合成反应，在密闭水热反应釜中，于140-180℃下反应24-72h；

(3)冷却后将沉淀洗涤、干燥；

(4)在Ar/H₂混合气氛中还原上述合成产品。

为达到本发明的目的，催化裂解所使用的催化剂还可以是如下催化剂：催化剂组成中，载体材料为活性炭、石墨粉、沸石或碳纳米纤维，Fe、Co、Ni、Mo或Ce的质量百分比为10％-60％。催化剂组成可表示为金属/载体材料，如30％的Ni/沸石表示Ni的质量百分比为30％，即Ni％＝Ni/(Ni+沸石)＝30/(30+70)＝30％。

上述催化剂制备方法按如下步骤进行：

(1)将将含有载体材料的Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐溶液蒸干；

(2)上述混合物于300-500℃煅烧10-24小时；

(3)Ar/H₂混合气氛中还原上述煅烧后产品。

为达到本发明的目的，催化裂解体系还可以是：金属有机化合物二茂铁、二茂钴或二茂镍负载乙醇进行催化裂解，其操作步骤如下：

(1)将金属有机化合物二茂铁、二茂钴或二茂镍溶于乙醇中，浓度为1～50mg/ml；

(2)将混合液在500～800℃进行催化裂解反应。

乙醇催化裂解协同产氢和碳纳米管的反应机理：

在乙醇催化裂解协同产氢和碳纳米管的反应中主要发生以下两种反应：

        反应1：2CH₃CH₂OH→C+2CO+4H₂+CH₄

        反应2：CH₃CH₂OH→C+CO+3H₂

本发明优点如下：(1)利用无毒、来源广泛且可再生的乙醇作反应源，成本低廉且有重要的能源战略意义；(2)在产氢的同时也制得了碳纳米管，一举双得，进一步降低了成本；(3)形状各异的碳纳米管可用于功能碳纳米材料和碳复合增强材料的制备，阵列的碳纳米管可用于场发射显示器的应用，氢气可作为未来能源的替代能源。

附图说明

图1尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂上，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化；

图2尿素法制备的Co/TiO₂催化剂上，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化；

图3水热法制备的Fe/Al₂O₃催化剂，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化；

图4水热法制备的Ni/ZrO₂催化剂，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化；

图5乙醇在尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂上裂解制的碳纳米管SEM照片；

图6为水热法Co(30mol％)/Al₂O₃(600℃)催化剂上形成的碳纳米管的TEM图片，制备的碳纳米管直径约为十几纳米；

图7为浸渍法制备的Co(40mol％)/Al₂O₃(700℃)催化剂上形成的碳纳米管的SEM照片；

图8茂铁负载乙醇碳源催化剂(Fe)在石英片上形成的阵列碳纳米管的SEM照片；

图9尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂上形成的互联(网状)碳纳米管的SEM图片；

图10尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂上形成的螺旋状碳纳米管的SEM图片；

图11尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂上形成的鱼骨状碳纳米管的TEM图片；

具体实施方式

通过以上正交实验，探索和优化乙醇催化裂解协同生产氢气和碳纳米管的反应条件。制氢的情况用产氢率来描述，产氢率(R)定义为：

$R(\%)=\frac{{\mathrm{Mol}}_1}{{\mathrm{Mol}}_2}\×100$

其中，Mol₁表示在乙醇催化裂解反应中产生的H₂的摩尔数，Mol₂表示反应中进入系统的乙醇中所含H₂的摩尔数。

制备的碳纳米管质量的好坏用拉曼光谱(Raman spectra)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等来表征。碳纳米管产率(Y)定义为：

$Y(\%)=\frac{m_{\mathrm{CNT}}}{m_{\mathrm{CAT}}}\×100$

其中，m_CNT表示在乙醇催化裂解中形成的碳纳米管的质量，m_CAT表示相应反应中所用催化剂(如Fe)的质量。

通过分析对比我们发现，影响产氢和碳纳米管两方面的主要因素是：催化剂担载量，乙醇流速和反应温度。

以下用表格表示不同方法制备的不同担载体和担载量的催化剂上，在各温度下的平均产氢率：

表1尿素法制备的不同担载量的Fe/MgO催化剂上在各温度下的平均产氢率

催化剂担载量/mol％	平均产氢率/％
						500℃	600℃	700℃	750℃	800℃
	10304050	23.250.673.367.9	38.455.467.064.5	65.228.373.273.5	70.733.076.777.4						80.164.481.581.4

注：乙醇流速0.3ml/h

表2水热法制备的不同担载量的Ce/SiO₂催化剂上在各温度下的平均产氢率

催化剂担载量/mol％	平均产氢率/％
					500℃	600℃	700℃	800℃
	10305070	16.923.152.771.7	15.116.8/65.567.9	25.954.265.575.0					34.875.781.877.7

注：乙醇流速0.3ml/h

表3水热法制备的不同担载量的Co/Al₂O₃催化剂上在各温度下的平均产氢率

催化剂担载量/mol％	平均产氢率/％
					500℃	600℃	700℃	800℃
	10203040	50.752.548.848.8	60.368.765.666.7	56.466.776.276.7					45.056.560.363.8

注：乙醇流速0.3ml/h

表4水热法制备的不同担载量的Ni/TiO₂催化剂上在各温度下的平均产氢率

催化剂担载量/mol％	平均产氢率/％
					500℃	600℃	700℃	800℃
	10305070	53.154.646.446.8	67.954.965.468.9	56.962.575.380.2					47.548.046.056.0

注：乙醇流速0.3ml/h

实施例1：(尿素法制备10mol％的Fe/Al₂O₃催化剂)

(1)分别称取1.3207g的Fe(NO₃)₃·9H₂O和11.0375g的Al(NO₃)₃·9H₂O溶于水中，配成50ml溶液；

(2)称取53.0179g(Al摩尔数的30倍)的尿素溶于水中配成450ml溶液，放入90℃水浴中加热(尿素在水中分解生成氨水)；

(3)将(1)中配好的金属盐溶液用胶头滴管滴加入(2)中的尿素溶液中，同时不停的搅拌，滴加时间约为20min，待有大量沉淀出现时(约2小时)，停止加热；

(4)将(3)中所得溶液静置一昼夜后，倒掉上层清液，将生成的沉淀用二次蒸馏水反复洗涤几次，去除沉淀中过量的尿素，然后水浴蒸干；

(5)将所得到的沉淀放入烘箱80℃烘干12小时，再放入马弗炉300℃煅烧2小时，取出后研磨成粉末，放入干燥器中备用。

(6)催化剂的活化：将上述各种方法制备的不同担载量的催化剂(如Fe，Co，Ni，Mo或Ce)前驱物放入固定床-流动气相装置(WFSM-3011型催化剂评价装置)中，在气体流量为40ml/min(Ar∶H₂＝1∶1；Ar为载气，H₂为还原气)的气氛下从室温线性升温至500℃，保持该温度60min以确保催化剂前驱体全部还原为活性催化剂。

以上是以制备10mol％的Fe/Al₂O₃催化剂为例进行说明，对于其他担载体MgO、SiO₂、ZrO₂、MoO₃、Ag₂O或TiO₂的Co，Ni，Mo或Ce催化剂，只需按照担载量要求取相应量的盐即可。

氢气的制备与碳纳米管的协同生长：乙醇以一定进样速率(0.3ml/h、0.5ml/h和0.7ml/h)经汽化后以X(X＝20、30、40、50和60)ml/min(Ar)流量进入反应器，分别在一系列温度：500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃和800℃进行催化裂解反应，协同制备氢气和碳纳米管，持续时间在10～60min范围内，反应中生成的气体用气相色谱在线监测。

如图1所示，以尿素法制备的Fe/Al₂O₃催化剂，相同担载量不同温度条件下乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化，乙醇流速：0.3ml/h。图9所示为协同生长的碳纳米管的SEM图(生成条件：催化剂担载量10mol％，乙醇流速0.3ml/h，热解温度700℃)，制备得到的碳纳米管呈现网状结构；同样条件下，热解温度升为800℃时，制备得到定向生长的碳纳米管，其直径约为十几纳米(图5所示)；当催化剂担载量30mol％，乙醇流速0.3ml/h，热解温度750℃时，得到如图10所示螺旋状碳纳米管，当催化剂担载量为40mol％时，得到如图11所示鱼骨状碳纳米管。

如图2所示，以尿素法制备的Co/TiO₂催化剂，相同担载量不同温度条件下乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化，乙醇流速：0.3ml/h。

实施例2(水热法制备催化剂)：

以制备10mol％的Fe/Al₂O₃催化剂为例，水热法共沉淀制备催化剂的主要步骤：

(1)分别称取0.7507g的Al(NO₃)₃·9H₂O和0.0898g的Fe(NO₃)₃·9H₂O置于烧杯中，加入10ml蒸馏水溶解完全，配成溶液；

(2)向(1)中配成的溶液逐滴加入14M NH₃·H₂O至形成的二元胶体pH＝8；

(3)将(2)中所得胶体搅拌1h、陈化4h后转移至25ml聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，密封反应釜，在140℃下反应48h；

(4)待自然冷却至室温后打开反应釜，用去离子水洗涤产物5次，将所得沉淀在100℃下烘干12h即为所得催化剂前驱体，放入干燥器中备用。

(5)催化剂的活化过程见实施例1所述。

本方法以制备10mol％Fe/Al₂O₃催化剂为例说明，对于其他担载体MgO、SiO₂、ZrO₂、MoO₃、Ag₂O或TiO₂和催化剂Co，Ni，Mo或Ce，只需按照担载量要求取相应量的盐即可。

图3为水热法制备的Fe/Al₂O₃催化剂，相同担载量不同温度条件下，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化，乙醇流速：0.3ml/h。

图4为水热法制备的Ni/ZrO₂，相同担载量不同温度条件下，乙醇催化裂解的产氢率随时间的变化，乙醇流速：0.3ml/h。

图6为水热法制备的Co(30mol％)/Al₂O₃(600℃)催化剂上形成的碳纳米管的TEM图片，制备的碳纳米管直径约为十几纳米。

实施例3(浸溃法制备催化剂)：

(1)称取一定量(按催化剂和其担载体质量比10-60％称取)的催化剂(如Fe，Co，Ni，Mo或Ce)的硝酸盐，放入烧杯中配成50ml溶液；

(2)将相应量的催化剂载体(如活性炭、沸石、碳纳米纤维、MgO、Al₂O₃、SiO₂和TiO₂)混入(1)溶液，90℃水浴中加热，并不停的搅拌直至蒸干溶液；

(3)将(2)中所得的固体放入烘箱80℃烘干12小时，再放入马弗炉500℃煅烧10小时，取出后研磨成粉末，放入干燥器中备用。

(4)催化剂的活化过程见实施例1所述。

图7为浸渍法制备的Co(40mol％)/Al₂O₃(700℃)催化剂上形成的碳纳米管的SEM图片。

实施例4：

金属有机化合物负载乙醇碳源催化剂

(1)将一定量(按浓度为1～50mg/ml称取)的催化剂金属有机化合物(如二茂铁、二茂钴或二茂镍)溶于相应量的乙醇中，配成所需浓度的乙醇溶液；

(2)将(1)中含有催化剂的乙醇溶液以一定流速直接通入反应系统，进行反应，将直接生成阵列的碳纳米管(图8所示，使用二茂铁，浓度为20mg/ml，反应温度：800℃，乙醇流速：0.3ml/h，反应时间：40min)。

Claims (10)

1、一种制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：使用乙醇为碳-氢源进行催化裂解。

2、根据权利要求1所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：催化剂组成中，载体材料为氧化物，Fe、Co、Ni、Mo或Ce的摩尔百分比为10％-90％。

3、根据权利要求2所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：氧化物载体材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂、ZrO₂、MoO₃、Ag₂O或TiO₂。

4、根据权利要求3所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：催化裂解温度为500～800℃。

5、根据权利要求2或3所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于，催化剂制备方法按如下步骤进行：

(1)在70-100℃，将Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐以及载体金属可溶盐的混合溶液加至尿素溶液中生成沉淀；

(2)洗涤沉淀并烘干，于300-500℃煅烧；

(3)Ar/H₂混合气氛中还原上述煅烧后产品。

6、根据权利要求2或3所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于，催化剂制备方法按如下步骤进行：

(1)向Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐以及载体金属可溶盐的混合溶液中加浓氨水或尿素溶液；

(2)将上述混合体系进行水热合成反应；

(3)在Ar/H₂混合气氛中还原上述合成产品。

7、根据权利要求1所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：催化剂组成中，载体材料为活性炭、石墨粉、沸石或碳纳米纤维，Fe、Co、Ni、Mo或Ce的质量百分比为10％-60％。

8、根据权利要求7所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于，催化剂制备方法按如下步骤进行：

(1)将含有载体材料的Fe、Co、Ni、Mo或Ce的可溶盐溶液蒸干；

(2)上述混合物于300-500℃煅烧；

(3)Ar/H₂混合气氛中还原上述煅烧后产品。

9、根据权利要求1所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于：金属有机化合物二茂铁、二茂钴或二茂镍负载乙醇进行催化裂解。

10、根据权利要求9所述的制备高纯氢和协同生长碳纳米管的方法，其特征在于，金属有机化合物二茂铁、二茂钴或二茂镍负载乙醇催化裂解步骤如下：

(1)将金属有机化合物二茂铁、二茂钴或二茂镍溶于乙醇中；

(2)将混合液在500～800℃进行催化裂解反应。

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