CN101890502A - 镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法 - Google Patents

镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法，该方法的过程包括：以六水硝酸镍和镁粉加入到无水乙醇中，热分解法制备镍/镁催化剂前驱体；以镍/镁催化剂前驱体置于石英反应管中，在氩气保护下升温至还原温度，通入氢气还原，然后在生长温度下，以甲烷为碳源气、氩气为载气，用化学气相沉积法制备碳纳米管/镁复合粉末。本发明工艺简单、省时，碳纳米管/镁粉上原位生长得到分散性好，又由于碳纳米管管径较窄，尺寸均匀，所以特别适合于制备碳纳米管增强的镁基复合材料。

Description

镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法
技术领域
本发明涉及一种镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法，属于碳纳米管/金属复合粉末制备技术。
背景技术
碳纳米管自从1991年被发现以来，由于具有优异的力学、热学、电学等特性而受到国际上多个学科领域的瞩目，也在先进复合材料领域引发了新的研究热点。由于其自身优良的机械性能，碳纳米管成为轻质高强度金属基复合材料的一种理想增强体。
镁作为最轻的结构材料，具有密度低、强度高、阻尼性能好和优异的铸造与机械性能，镁基复合材料已成为金属基复合材料研究的焦点。但是，用碳纳米管来增强镁基复合材料还没有被广泛关注。目前，国内外对碳纳米管增强镁基复合材料的研究主要有搅拌铸造法和粉末冶金法。这些方法都是使用预先制备的碳纳米管与镁基材料机械混合，碳纳米管的含量通常小于2％，但是容易出现碳纳米管增强相分布不均匀和界面结合力较差的现象，从而影响碳纳米管的增强效果。而在镁粉基体上原位生长出碳纳米管，获得镁与碳纳米管的复合粉末，再通过粉末冶金、粉末轧制、热挤压等方法制成复合材料，可以提高碳纳米管在基体中的分散性和与基体的界面结合。
在镁粉末上以镍为催化剂，采用化学气相沉积法原位合成碳纳米管，从而制得碳纳米管/镁复合粉末，目前尚未有研究报道。
发明内容
本发明旨在提供一种镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法。该方法工艺简单，所得到的碳纳米管管径较小且分散性好，产率大、纯度高。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法，其特征在于包括以下过程：
1、热分解法制备镍/镁催化剂前驱体：将六水硝酸镍和镁粉以质量比为0.24～0.49∶1加入到无水乙醇中，超声分散5-15分钟后，进行磁力搅拌，并且控温在60-70℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下以10℃/min的升温速率升至温度200-400℃，煅烧2-4h，冷却到室温得到镍/镁催化剂前驱体。
2、用化学气相沉积法制备碳纳米管/镁复合粉末：将步骤1所得镍/镁催化剂前驱体粉末均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min的升温速率升至400-500℃后，以50-200mL/min通入氢气2-4小时，将镍/镁催化剂前驱体还原为催化剂Ni/Mg，停止通入氢气，接着按甲烷碳源气与氩气载气体积比为5～1，向催化剂Ni/Mg通入混合气，在温度450-550℃下催化裂解反应0.5-3小时，停止通入混合气体，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
本发明具有以下优点：催化剂制备采用热分解法，工艺简单、省时，成本低，并且由于本发明所制备的碳纳米管/镁复合粉末中的碳纳米管是在镁粉上原位生长的所得到的，其在镁粉基体上分散性好，又由于碳纳米管管径较窄，在10-20nm之间，且尺寸均匀，所以特别适合于制备碳纳米管增强的镁基复合材料。
附图说明
图1为本发明方法实施例4制备的碳纳米管/镁复合粉末的透射电镜照片。
图2为本发明方法实施例4制备的碳纳米管/镁复合粉末中碳纳米管的高分辨透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只是用于说明本发明，并不限制本发明。
本发明中的镍/镁催化剂前驱体的质量比例是指该催化剂前驱体中镍与镁的重量比。
使用原料：六水硝酸镍，市售，纯度＞96％；镁粉，市售，200目。
实施例1
将5g镁粉与1.239g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度200℃，煅烧4h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.05∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至400℃后，以100mL/min通入氢气，2小时后关闭氢气，在氩气保护下，以10℃/min升温至500℃，接着通入以甲烷作为碳源气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为300mL/min，在500℃下催化裂解反应1小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
实施例2
将5g镁粉与1.586g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度400℃，煅烧2h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.08∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至500℃后，以50mL/min通入氢气，4小时后关闭氢气，在氩气保护下，以10℃/min升温至550℃，接着通入以甲烷作为碳源气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为200mL/min，在550℃下催化裂解反应1小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
实施例3
将5g镁粉与1.239g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度300℃，煅烧3h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.05∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至450℃后，以200mL/min通入氢气，2小时后关闭氢气，在氩气保护下，保温在450℃，接着通入以甲烷气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为500mL/min，在450℃下催化裂解反应2小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
实施例4
将5g镁粉与1.982g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度400℃，煅烧2h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.1∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至400℃后，以100mL/min通入氢气，2小时后关闭氢气，在氩气保护下，以10℃/min升温至480℃，接着通入以甲烷作为碳源气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为300mL/min，在480℃下催化裂解反应1小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
实施例5
将5g镁粉与1.239g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度400℃，煅烧2h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.05∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至450℃后，以100mL/min通入氢气，2小时后关闭氢气，在氩气保护下，以10℃/min升温至500℃，接着通入以甲烷作为碳源气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为300mL/min，在500℃下催化裂解反应3小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
实施例6
将5g镁粉与1.982g六水硝酸镍加入到100mL无水乙醇中，以100W的功率超声分散5分钟后，在室温下进行磁力搅拌，并且控温在65℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干。将所得产物在氩气保护下，以10℃/min升温至温度400℃，煅烧2h，在氩气气氛中随炉冷却到室温，得到镍/镁质量比例为0.1∶1的催化剂前驱体。取0.5g镍/镁催化剂前驱体粉末，均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min升至500℃后，以150mL/min通入氢气，2.5小时后关闭氢气，在氩气保护下，保温在500℃，接着通入以甲烷作为碳源气，然后使氩气流速为100mL/min，甲烷氩气流速为400mL/min，在500℃下催化裂解反应1.5小时，停止通入甲烷，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。

Claims (1)

1.一种镍催化原位化学气相沉积制备碳纳米管/镁复合粉末的方法，其特征在于包括以下过程：
1)热分解法制备镍/镁催化剂前驱体：将六水硝酸镍和镁粉以质量比为0.24～0.49∶1加入到无水乙醇中，超声分散5-15分钟后，进行磁力搅拌，并且控温在60-70℃，使无水乙醇缓慢挥发，直至蒸干，将所得产物在氩气保护下以10℃/min的升温速率升至温度200-400℃，煅烧2-4h，冷却到室温得到镍/镁催化剂前驱体；
2)用化学气相沉积法制备碳纳米管/镁复合粉末：将步骤1)所得镍/镁催化剂前驱体粉末均匀地铺摊在石英舟中，并将石英舟置于石英反应管中部恒温区，首先向反应管中通入氩气，以10℃/min的升温速率升至400-500℃后，以50-200mL/min通入氢气2-4小时，将镍/镁催化剂前驱体还原为催化剂Ni/Mg，停止通入氢气，接着按甲烷碳源气与氩气载气体积比为5～1，向催化剂Ni/Mg通入混合气，在温度450-550℃下催化裂解反应0.5-3小时，停止通入混合气体，在氩气气氛下使炉温降至室温，得到产物碳纳米管/镁复合粉末。
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