CN110228803B - 一种采用空壳型小晶粒zsm-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用空壳型小晶粒ZSM‑5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:(1)制备金属基催化剂:以空壳型小晶粒ZSM‑5作为载体,将金属盐和所述载体加入去离子水中,超声处理下浸渍2h,过滤、干燥、煅烧,得到金属基催化剂;其中,所述金属盐为钴、铁或镍中至少一种的金属盐;(2)制备碳纳米管:将所述金属基催化剂置于反应装置中,通入惰性气体,然后通入还原性气体,加热至700‑900℃,然后通入碳源,反应1‑24h后再次通入惰性气体,在惰性气体氛围下降温至室温,即得到所述碳纳米管。本发明公开的方法,制备碳纳米管产率高,最终产率能达到15 g/gcat左右。
Description
技术领域
本发明碳纳米管制备技术领域,具体涉及一种采用空壳型小晶粒ZSM-5负载金属催化制备碳纳米管的方法。
背景技术
碳纳米管的主要合成技术有三种:电弧法;激光法;化学气相沉积法。化学气相沉积法合成碳纳米管,常采用负载金属作为催化剂,常用的载体有二氧化硅、三氧化二铝、分子筛、氧化钙、氧化镁等。催化剂载体以及载体和催化剂之间的相互作用是制备碳纳米管及其产率的重要影响因素。
Beata Michalkiewicz等报道了Ni/ZSM-5催化甲烷裂解合成碳纳米材料,文章采用市售的ZSM-5分子筛作为催化剂,在不同温度得到不同的碳纳米材料,其中在600oC可以得到碳纳米管。现有技术中有采用ZSM-5作为载体负载金属来制备碳纳米管的,但是,最终碳纳米管的产率基本不超过8克/克催化剂,这严重制约着化学气相沉积法合成碳纳米管的发展。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明提供一种采用空壳型小晶粒ZSM-5负载金属催化制备碳纳米管的方法,最终碳纳米管的产率能达到15 g/gcat。
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备金属基催化剂:以空壳型小晶粒ZSM-5作为载体,将金属盐和所述载体加入去离子水中,超声处理下浸渍2h,过滤、干燥、煅烧,得到金属基催化剂;其中,所述金属盐为钴、铁或镍中至少一种的金属盐;
(2)制备碳纳米管:将所述金属基催化剂置于反应装置中,通入惰性气体,然后通入还原性气体,加热至700-900℃,然后通入碳源,反应1-24h后再次通入惰性气体,在惰性气体氛围下降温至室温,即得到所述碳纳米管。
优选地,所述金属基催化剂中,金属按照其对应的金属氧化物的含量计,所述金属氧化物占所述金属基催化剂重量的10-80%。
优选地,所述金属盐为硫酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐中的任意一种。
优选地,所述煅烧的温度为300-500℃、时间为4-5 h。
优选地,所述碳源为C1-C4的低碳烃。
优选地,所述碳源为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯中的任意一种。
优选地,所述还原性气体为氢气或者甲烷。
优选地,所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。
优选地,所述碳源的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h,所述还原性气体的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h,所述惰性气体的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h。
优选地,所述超声处理的超声频率为20000Hz,所述干燥的温度为120℃。
本发明所述空壳型小晶粒ZSM-5分子筛为通过专利CN 104150507 B公开的制备方法制备得到的。
本发明的优点:
本发明以空壳型小晶粒ZSM-5分子筛为载体,负载金属,制备成的金属基催化剂催化制备碳纳米管,催化活性高、寿命长,碳纳米管的产率高,能达到15 g/gcat左右。
附图说明
图1 CH4转化和率H2收率随反应时间变化趋势;
图2不同载体碳纳米管产率。
具体实施方式
本发明所述空壳型小晶粒ZSM-5分子筛为通过专利CN 104150507 B公开的制备方法制备得到的。
实施例1
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备空壳型小晶粒ZSM-5分子筛:将17.6g四丙基氢氧化铵、16.0mL正硅酸乙酯和10g水混合均匀并搅拌,接着将0.2g铝酸钠和20g水混合溶液缓慢滴加其中,室温搅拌2h后,装入不锈钢合成釜中,170oC晶化48h,所得产物经过滤、洗涤、110oC干燥,550oC焙烧5h,得到尺寸为560nm粒径均匀的空壳型小晶粒ZSM-5分子筛载体;
(2)制备金属基催化剂:称取2g空壳型小晶粒ZSM-5分子筛和12.04g Co(NO3)2·6H2O,加入去离子水中,20000Hz超声浸渍2h,过滤、120℃干燥,然后在400℃下煅烧4h,得到钴基催化剂;所述钴基催化剂中,钴的含量以三氧化二钴的质量计,占其重量的63.2 %;
(3)制备碳纳米管:称取2.00g钴基催化剂,加入到反应管的石英分布板上,将反应管置于加热炉中,在反应管底部先通入氮气,空速10000mL/g/h,充分置换后,通入甲烷,空速15000mL/g/h,加热至750℃,然后继续通入甲烷,15000mL/g/h,反应4h,然后通入氮气,空速10000mL/g/h,在氮气气氛下降温至室温,即得到碳纳米管。
实施例2
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备空壳型小晶粒ZSM-5分子筛:同实施例1;
(2)制备金属基催化剂:称取2g空壳型小晶粒ZSM-5分子筛和28.15 g NiSO4·6H2O,加入去离子水中,20000Hz超声浸渍2h,过滤、120℃干燥,然后在500℃下煅烧4h,得到镍基催化剂;所述镍基催化剂中,镍的含量以氧化镍的质量计,占其重量的80 %;
(3)制备碳纳米管:称取2.00g镍基催化剂,加入到反应管的石英分布板上,将反应管置于加热炉中,在反应管底部先通入氮气,空速20000mL/g/h,充分置换后,通入氢气,空速10000mL/g/h,加热至700℃,然后通入乙烷,空速10000mL/g/h,反应1h,后通入氮气,空速20000mL/g/h,在氮气气氛下降温至室温,即得到碳纳米管;本实施例中碳纳米管的产率为15.8g/gcat。
实施例3
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备空壳型小晶粒ZSM-5分子筛:同实施例1;
(2)制备金属基催化剂:称取2g空壳型小晶粒ZSM-5分子筛和 2.0 g Ni(NO3)2·6H2O,加入去离子水中,20000Hz超声浸渍2h,过滤、120℃干燥,然后在300℃下煅烧5h,得到镍基催化剂;所述镍基催化剂中,镍的含量以氧化镍的质量计,占其重量的20.3%;
(3)制备碳纳米管:称取2.00g镍基催化剂,加入到反应管的石英分布板上,将反应管置于加热炉中,在反应管底部先通入氮气,空速20000mL/g/h,充分置换后,通入氢气,空速20000mL/g/h,加热至700℃,然后通入乙烯,空速20000mL/g/h,反应1h,后通入氮气,空速20000mL/g/h,在氮气气氛下降温至室温,即得到碳纳米管;本实施例中碳纳米管的产率为12.7g/gcat。
实施例4
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备空壳型小晶粒ZSM-5分子筛:同实施例1;
(2)制备金属基催化剂:称取2g空壳型小晶粒ZSM-5分子筛和3.32g Co(C5H7O2)2,加入去离子水中,20000Hz超声浸渍2h,过滤、120℃干燥,然后在300℃下煅烧5h,得到钴基催化剂;所述钴基催化剂中,钴的含量以三氧化二钴的质量计,占其重量的34.8%;
(3)制备碳纳米管:称取2.00g钴基催化剂,加入到反应管的石英分布板上,将反应管置于加热炉中,在反应管底部先通入氮气,空速30000mL/g/h,充分置换后,通入氢气,空速20000mL/g/h,加热至900℃,然后通入丙烷,空速30000mL/g/h,反应24h,后通入氮气,空速30000mL/g/h,在氮气气氛下降温至室温,即得到碳纳米管;本实施例中碳纳米管的产率为14.9g/gcat。
实施例5
一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,包括以下步骤:
(1)制备空壳型小晶粒ZSM-5分子筛:同实施例1;
(2)制备金属基催化剂:称取2g空壳型小晶粒ZSM-5分子筛和7.25g FeSO4,加入去离子水中,20000Hz超声浸渍2h,过滤、120℃干燥,然后在400℃下煅烧5h,得到铁基催化剂;所述铁基催化剂中,铁的含量以三氧化二铁的质量计,占其重量的 50.9 %;
(3)制备碳纳米管:称取2.00g铁基催化剂,加入到反应管的石英分布板上,将反应管置于加热炉中,在反应管底部先通入氮气,空速10000mL/g/h,充分置换后,通入氢气,空速20000mL/g/h,加热至900℃,然后通入丙烯,空速10000mL/g/h,反应10h,后通入氮气,空速10000mL/g/h,在氮气气氛下降温至室温,即得到碳纳米管;本实施例中碳纳米管的产率为15.6g/gcat。
一. 碳源转化率的检测
在线检测实施例1中,CH4转化率和H2收率随反应时间的变化情况,见图1。由图1可知,在4h内,甲烷的转化率没有明显下降,说明所制备的钴基催化剂的寿命长,反应时间在230min内并未发现随着时间推移而效率明显降低。
二. 评价碳纳米管的产率
在实施例1中,将载体分别替换为SiO2、Al2O3、与实施例1中的空壳型小晶粒ZSM-5分子筛硅铝比相同的市售ZSM-5分子筛,分别作为对比例1、对比例2、对比例3,其他条件与实施例1相同,评价碳纳米管的产率,结果如图2。由图2可知,本发明提供的金属基催化剂,在制备碳纳米管时,碳纳米管的产率大于15g/gcat,而相同硅铝比的市售ZSM-5分子筛为载体制备的催化剂,碳纳米管的收率只有6.2g/gcat。
Claims (8)
1.一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)制备金属基催化剂:以空壳型小晶粒ZSM-5作为载体,将金属盐和所述载体加入去离子水中,超声处理下浸渍2h,过滤、干燥、煅烧,得到金属基催化剂;其中,所述金属盐为钴、铁或镍中至少一种的金属盐;
(2)制备碳纳米管:将所述金属基催化剂置于反应装置中,通入惰性气体,然后通入还原性气体,加热至700-900℃,然后通入碳源,反应1-24h后再次通入惰性气体,在惰性气体氛围下降温至室温,即得到所述碳纳米管;
所述还原性气体为氢气或者甲烷;
所述碳源为C1-C4的低碳烃。
2.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述金属基催化剂中,金属按照其对应的金属氧化物的含量计,所述金属氧化物占所述金属基催化剂重量的10-80%。
3.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述金属盐为硫酸盐、硝酸盐、乙酰丙酮盐中的任意一种。
4.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述煅烧的温度为300-500℃、时间为4-5 h。
5.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述碳源为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯中的任意一种。
6.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任意一种。
7.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述碳源的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h,所述还原性气体的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h,所述惰性气体的空速为10000mL/g/h-30000mL/g/h。
8.根据权利要求1所述一种采用空壳型小晶粒ZSM-5分子筛负载金属催化制备碳纳米管的方法,其特征在于:所述超声处理的超声频率为20000Hz,所述干燥的温度为120℃。
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