CN114515578B - 一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及碳纳米材料制备技术领域，具体公开一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂的制备方法为：将增稠剂和有机配体溶于溶剂中，得到粘度≥20000mPa·s/25℃的高粘度溶胶或冻胶；使活性组分金属盐溶于所述高粘度溶胶或冻胶中，得到催化剂前驱体；将所述催化剂前驱体煅烧至残碳量为3％～10％，得到催化剂。本发明减少了催化剂制备过程中活性颗粒烧结，使原始生长的单/双壁碳纳米管纯度达到了20％，且只需通过一步空气氧化再酸洗即可得到≥99.0％的单/双壁碳纳米管，收率不低于10％，实现了以低于3000元/kg的成本生产单/双壁碳纳米管。

Description

一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及碳纳米材料制备技术领域，特别涉及一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着锂离子电池的技术的发展，硅负极的商业化规模逐渐扩大，但由于硅的导电性差，需要配合导电性优异的导电剂才具有实用价值。目前，硅负极理想的导电剂是单/双壁碳纳米管。然而当前工业化生产的单/双壁管碳纳米管成本高达10000元/kg～30000元/kg，高昂的价格限制了其工业化应用。目前能实现工业化生产单/双壁碳纳米管的方法主要有两种：浮游法和粉末催化剂法。前者以气相单质纳米Fe、Co、Ni(粒径小于5nm)催化甲烷或天然气裂解，生长出单/双壁碳纳米管；后者以Fe、Co、Ni等活性组分分散于载体中形成固体粉末，再催化碳源裂解，生长出单/双壁碳纳米管。浮游法中，为了防止活性纳米颗粒聚集(粒径过大的催化剂无法生长单/双壁碳纳米管)，反应过程为稀相反应，这决定了其工业化生产效率低，成本降低难度大。粉末催化剂法中，通过固态载体使活性成份保持在合适的粒径范围，反应过程为密相反应，生产效率高。因而，粉末催化剂法在实现较低成本(1000元/kg～5000元/kg)制备单/双壁管碳纳米管的方面潜力巨大。
根据计算，在粉末催化剂法制备单/双壁碳纳米管中，催化剂成本占据了该方法制备的单/双壁碳纳米管总成本的50％以上。催化剂主要是从两方面影响产品的成本：一方面，为了使活性组分以小于5nm的纳米颗粒良好地分散于载体中，催化剂中活性组分质量分数一般不超过15％，因而粉末催化剂法获得的原始碳纳米管中含有大量的载体，碳纳米管纯度仅5％～30％，催化剂用量较大；另一方面，为将碳纳米管应用到硅负极中，需要对碳纳米管进行提纯以除去催化剂以及其他杂碳，而催化剂的性能直接影响到纯化的效果及成本，因此催化剂在单/双壁碳纳米管的生产成本占比较高。
现今，较为成熟的制备单/双壁碳纳米管催化剂粉末的方法有以下几种：
1)共沉淀法
魏飞等(Adv.Funct.Mater.2010,20,677)采用共沉淀的方法合成了FeMgAl层状双羟基氢氧化物，其中粒径1.5nm～5.0nm的Fe纳米粒子均匀地分散于层状MgAl晶体中，这种催化剂催化甲烷裂解得到了原始纯度为36％的单/双壁碳纳米管。但是这种方法制备的催化剂需要通过冷冻干燥，导致催化剂的生产效率低，工业化生产成本高，批量制备的单/双壁碳纳米管成本仍高于10000元/kg。
2)浸渍法
Jose Efrain Herrera等(Diamond&Related Materials,2014,41,84)采用纳米氧化镁为载体，直接浸渍Fe、Co等活性成分，进而生长单/双壁碳纳米管。这种方法避免了冷冻干燥，催化剂的生产效率高。但为了提高单/双壁碳纳米管的产率，采用纳米氧化镁的价格昂贵(大于500元/kg)，最终单/双壁碳纳米管的成本仍高于10000元/kg。
3)燃烧法
采用尿素或者柠檬酸为燃烧剂，直接燃烧合成CoMgO或FeMgO粉末催化剂。这种方法制备催化剂工艺简便，催化剂的工业化生产成本可低至200元/kg。Revathi Bacsa等(CHEM.COMMUN.,2003,1442–1443)以柠檬酸为燃烧剂合成CoMgO，原始生长出的单/双壁碳纳米管含量为13.3％。这种方法的不足主要是得到的单/双壁碳纳米管含量较低，生长过程中产生有较多的杂碳，需要经过反复的氧化再酸洗，纯化成本较高，要获得99.0％纯度的单/双壁碳纳米管，最终收率仅1％～5％(即每公斤催化剂得到的单/双壁碳纳米管质不超过10g～50g)。导致上述问题的主要原因是燃烧制备催化剂过程中，高温使部分催化剂活性颗粒烧结，烧结的催化剂活性颗粒一方面不能催化生长单/双壁碳纳米管，导致原始生长的单/双壁碳纳米管纯度较低；另一方面，这种烧结的催化剂颗粒在催化甲烷或天然气裂解过程中，其表面易形成较多包覆碳，需要去除这种碳杂质才能获得纯度大于99.0％的单/双壁碳纳米管，而去除包覆碳需要通过反复地氧化/酸洗过程，降低了生产效率，增加成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的是提出一种催化剂的制备方法，能够抑制催化剂煅烧过程中活性组分的烧结。
本发明的第二个目的是提供一种催化剂。
本发明的第三个目的是提供一种制备碳纳米管的方法。
具体地，本发明涉及如下的技术方案：
本发明的第一个目的是提供一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将增稠剂和有机配体溶于溶剂中，得到粘度≥20000mPa·s/25℃的高粘度溶胶或冻胶；
使活性组分金属盐溶于所述高粘度溶胶或冻胶中，得到催化剂前驱体；
将所述催化剂前驱体煅烧至残碳量为3％～10％，得到催化剂。
本发明的残碳量指的是煅烧后的催化剂中碳的质量百分比。
在本发明的催化剂制备方法中，通过增稠剂之间的分子链缠结、增稠剂与有机配体之间的氢键作用形成高粘度溶胶或冻胶，再络合活性组分金属盐离子形成高粘度金属有机配位化合物溶液(前驱体)。这种高粘度的金属有机配位化合物溶液在两方面抑制了催化剂中活性组分烧结：一方面，该高粘度溶液抑制了煅烧过程中活性组分的沉淀及金属有机配位化合物的扩散，减少了催化剂中活性组分在煅烧碳化前的聚集；另一方面，高粘度溶胶或冻胶在煅烧过程中形成的碳与活性组分间的相互作用抑制活性组分在空气煅烧过程中烧结。
增稠剂和有机配体形成的溶胶或冻胶的粘度，以及煅烧后的残碳量控制会影响碳对活性组分的保护效果以及催化剂催化生长碳纳米管的产率与质量。溶胶的粘度过低，或残碳量过低，都不能有效地抑制活性组分煅烧过程中的烧结。
在本发明的一些实例中，所述催化剂前驱体中还含有非活性组分金属盐。所述非活性组分金属盐溶于所述高粘度溶胶或冻胶中。在催化剂制备过程中，非活性组分金属盐的反应产物可作为催化剂的载体组分或者助催化组分。
在本发明的一些实例中，所述溶剂、增稠剂、有机配体、活性组分金属盐、非活性组分金属盐的质量份为：
溶剂100份
增稠剂0.2～5份
有机配体20～50份
活性组分金属盐0.5～15份
非活性组分金属盐40～120份。
其中，增稠剂的添加量不可过高。增稠剂添加量过高，会导致需要较高温度或较长时间的煅烧才能使催化剂中残碳量降低到10％以下，一方面增加了催化剂烧结的风险，另一方面催化剂的生产效率降低，增加了成本。
在本发明的一些实例中，所述溶剂、增稠剂、有机配体、活性组分金属盐、非活性组分金属盐的质量份为：
溶剂100份
增稠剂0.5～5份
有机配体20～50份
活性组分金属盐1～12份
非活性组分金属盐50～110份。
在本发明的一些实例中，所述溶剂包括水、或含有水溶性有机溶剂的水溶液中的至少一种，其中水溶性有机溶剂包括乙醇、甲醇、丙醇等。所述溶剂优选为水。
在本发明的一些实例中，所述增稠剂包括羧甲基瓜尔胶、明胶、聚丙烯酰胺、长角豆胶、葡甘露聚糖、黄原胶、胶原蛋白中的至少一种，优选羧甲基瓜尔胶。
在本发明的一些实例中，所述有机配体为多元羧酸。所述多元羧酸包括柠檬酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、甘氨酸、乙二胺四乙酸、氨三乙酸、环己二胺四乙酸中的至少一种。
在本发明的一些实例中，所述活性组分金属盐包括过渡金属盐，更具体包括Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Au、Ag、Mo中的任意一种或多种的水溶性盐，优选Fe、Co、Ni、Mo中的任意一种或多种的水溶性盐。
在本发明的一些实例中，所述非活性组分金属盐包括Mg、Al、Ti、Ca中的一种或多种的水溶性盐。
在本发明的一些实例中，所述煅烧温度为300℃～700℃；煅烧时间为5min～30min。
在本发明的一些实例中，所述煅烧过程在含氧气氛中进行，优选在空气中进行。在煅烧过程中，活性组分金属盐、非活性组分金属盐与有机配体形成的有机配合物被煅烧氧化形成金属氧化物。催化剂用于催化生产碳纳米管前会经过一道还原工序(一般是通过惰性气氛下的碳热还原反应)，其中活性组分金属盐对应的金属氧化物(活性氧化物)会原位还原为活性金属单质，进而催化甲烷或天然气裂解，生长出高质量的碳纳米管。
在本发明的一些实例中，在煅烧后，还包括粉碎的步骤，将催化剂粉碎为大于20目的粉体。
本发明的第二个目的是提供一种催化剂，所述催化剂由上述方法制得。
本发明的第三个目的是提供一种制备碳纳米管的方法，包括如下步骤：
对所述催化剂进行还原处理，得到活化后的催化剂；
使用所述活化后的催化剂对气体碳源进行催化裂解，得到碳纳米管。
在本发明的一些实例中，所述碳纳米管为单/双壁碳纳米管。
在本发明的一些实例中，所述还原处理的温度为800℃～1000℃，时间为10min～30min。所述还原处理过程在保护气氛中进行，例如在氮气、氩气中进行。在保护气氛、高温中，催化剂中的活性氧化物在催化剂自身的残碳作用下发生碳热还原反应，原位还原为活性金属单质。
在本发明的一些实例中，所述气体碳源包括甲烷、天然气、乙烯、乙炔、一氧化碳中的至少一种，优选甲烷、天然气。在催化裂解过程中，所述气体碳源与保护气体混合通入反应器中。
本发明对所述催化裂解的温度、时间，以及气体碳源的流量等催化裂解参数不作特别限定，可根据本领域通用的生产方法来确定，并根据实际需要进行合理调整。作为示例，所述催化裂解的温度为800℃～1000℃，气体碳源流量为400L/min～700L/min，保护气体的流量为300L/min～800L/min，催化剂投入量为2kg～4kg，反应时间为5min～20min。
在本发明的一些实例中，所述催化裂解后，还包括纯化的步骤，所述纯化的步骤具体为：对催化裂解得到的产物依次进行氧化、酸洗。所述氧化、酸洗的次数为1～3次，优选1次。由于本发明在制备催化剂过程中减少了活性组分的烧结，提高了原始生长的碳纳米管(即在纯化前，催化裂解直接得到的产物)的纯度，同时减少了催化剂表面在催化裂解过程中产生的包覆碳，因此只需要对原始生长的碳纳米管进行1次氧化、酸洗即可得到高纯度的碳纳米管，而不需要进行反复的氧化、酸洗，简化了工序，提高了生产效率，降低了成本。
在本发明的一些实例中，所述纯化过程的氧化过程具体为，将催化裂解得到的产物置于含氧气氛(优选空气)中煅烧。其中煅烧温度为350℃～550℃，时间为30min～60min。
在本发明的一些实例中，所述酸洗过程采用的酸包括盐酸，所述盐酸的质量浓度为5％～15％。所述酸洗的温度为60℃～95℃，时间为2h～24h。酸洗结束后，干燥即得高纯度的碳纳米管。
在本发明的一些实例中，所述催化裂解后得到的碳纳米管纯度≥20％；经过1次氧化、酸洗后，得到的碳纳米管纯度≥99.0％。碳纳米管收率达到≥10％，进一步为10％～15％。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明针对燃烧法制备的用于催化生产碳纳米管，尤其是单/双壁碳纳米管的催化剂存在活性颗粒烧结的问题，提出了采用增稠剂辅助有机配体一步燃烧制备用于制备单/双壁碳纳米管的活化催化剂，减少了催化剂制备过程中活性颗粒烧结，使原始生长的单/双壁碳纳米管纯度达到了20％，且只需通过一步空气氧化再酸洗即可得到≥99.0％的单/双壁碳纳米管，收率不低于10％，实现了以低于3000元/kg的成本生产单/双壁碳纳米管。
附图说明
图1为实施例1所得纯化后的碳纳米管的高分辨透射电镜图像；
图2为实施例1所得纯化后的碳纳米管的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺；以下各实施例所述份数均指质量份。
本发明提供一种催化剂及其制备方法，并将该催化剂应用于制备单/双壁碳纳米管。在一些实例中，催化剂制备和单/双壁碳纳米管的生长、纯化步骤如下：
1)催化剂制备
步骤1：将柠檬酸(20～50份)、羧甲基瓜尔胶(0.2～5份)溶于100份水中形成高粘度溶胶甚至冻胶(25℃，粘度≥20000mPa·s)；
步骤2：再将水溶性Fe、Co、Ni盐中的一种或多种(1～10份)，四水合钼酸铵(0.1～1份)，镁盐(50～100份)溶于步骤1所得溶胶中，再保温搅拌10～60min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将催化剂前驱体置于300℃～700℃中空气中煅烧5min～30min，确保催化剂中残碳量为3％～10％，粉碎成大于20目粉体备用。
2)单/双壁碳纳米管生长与纯化
步骤4：将步骤3得到的催化剂加入到反应器中，升温到800℃～1000℃，惰性气体中处理10～30min，再通入甲烷(或天然气)与惰性气体混合物5min～20min。在惰性气体保护下冷却到小于100℃取出样品。
步骤5：将步骤4得到的样品放置于350℃～550℃中的空气气氛中煅烧30min～60min，再用60℃～95℃、浓度为5％～15％的盐酸酸洗2h～24h，干燥即得所需产品。
本发明技术方案的核心目的是抑制催化剂煅烧过程中活性组分的烧结，催化剂原液中，通过羧甲基瓜尔胶之间的分子链缠结、羧甲基瓜尔胶与柠檬酸之间的氢键作用形成高粘度溶胶或冻胶，再络合金属盐离子形成高粘度金属有机配位化合物溶液。这种高粘度的金属有机配位化合物溶液在两方面抑制了催化剂中活性组分烧结：一方面，该高粘度溶液抑制了煅烧过程中活性组分的沉淀及金属配位化合物的扩散，减少了催化剂中活性组分在碳化前的聚集；另一方面，冻胶在煅烧过程中形成的碳与Fe、Co、Ni间的相互作用抑制活性组分在空气煅烧过程中烧结，然后通过惰性气氛下的碳热还原反应使活性氧化物原位还原为活性单质，进而催化甲烷或天然气裂解，生长出高质量的单/双壁碳纳米管。
羧甲基瓜尔胶等增稠剂的添加量以及煅烧后的残碳量控制会影响碳对活性组分的保护效果以及后续催化生长单/双壁碳纳米管的产率与质量。羧甲基瓜尔胶添加过低，催化剂原液粘度和残碳量过低，不能有效地抑制活性组分煅烧过程中的烧结；羧甲基瓜尔胶的添加量过高，导致需要较高温度或较长时间的煅烧才能是催化剂中残碳量降低到10％以下，一方面增加了催化剂烧结的风险，另一方面催化剂的生产效率降低，增加了成本。
以下结合更具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
1)催化剂制备
实施例1
步骤1：将5份羧甲基瓜尔胶和30份柠檬酸溶于100份水中，形成冻胶；
步骤2：再将4份九水硝酸铁，0.2份四水合钼酸铵，90份六水硝酸镁，溶于步骤1所得的冻胶中，再保温搅拌20min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将步骤2所得催化剂前驱体置于500℃的空气中煅烧15min，催化剂中残碳量为10％，粉碎成大于20目粉体备用。
实施例2
步骤1：将2份羧甲基瓜尔胶和30份柠檬酸溶于100份水中，形成高粘度溶胶(25℃，粘度≥30000mPa·s)；
步骤2：再5份六水硝酸钴，0.3份四水合钼酸铵，100份六水硝酸镁，溶于步骤1制得的溶胶中，再保温搅拌20min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将步骤2所得催化剂前驱体置于600℃的空气中煅烧10min，催化剂中残碳量为6％，粉碎成大于20目粉体备用。
实施例3
步骤1：将0.5份羧甲基瓜尔胶和25份一水柠檬酸溶于100份水中，形成粘稠催化剂原液(25℃，粘度≥20000mPa·s)；
步骤2：再将2份九水硝酸铁，2份六水硝酸钴，0.25份四水合钼酸铵，95份六水硝酸镁溶于步骤1制得的溶胶中，再保温搅拌30min，得到催化剂前驱体；
步骤3：450℃的空气中煅烧20min，催化剂中残碳量为3％，粉碎成大于20目粉体备用。
对比例1
本对比例与实施例2的区别在于：将步骤3中的残碳量降低到3％以下，具体为2％。
步骤1：将2份羧甲基瓜尔胶和30份一水柠檬酸溶于100份水中，形成高粘度溶胶(25℃，粘度≥30000mPa·s)；
步骤2：再将5份六水硝酸钴，0.3份四水合钼酸铵，100份六水硝酸镁，溶于步骤1制得的溶胶中，再保温搅拌20min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将步骤2所得催化剂前驱体置于600℃的空气中煅烧15min，催化剂中残碳量为2％，粉碎成大于20目粉体备用。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于：将步骤3中的残碳量增加到到10％以上，具体为12％。
步骤1：将2份羧甲基瓜尔胶与30份一水柠檬酸溶溶于100份水中，形成高粘度溶胶(25℃，粘度≥30000mPa·s)；
步骤2：再将5份六水硝酸钴，0.3份四水合钼酸铵，100份六水硝酸镁，溶于步骤1制得的溶胶中，再保温搅拌20min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将步骤2所得催化剂前驱体置于600℃的空气中煅烧3min，催化剂中残碳量为12％，粉碎成大于20目粉体备用。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于：改变了羧甲基瓜尔胶、柠檬酸和金属盐的加入顺序。
步骤1：将4份九水硝酸铁，0.2份四水合钼酸铵，90份六水硝酸镁和30份柠檬酸溶于100份水中，形成有机配体溶液；
步骤2：再将5份羧甲基瓜尔胶溶于步骤1所得的溶液中，再保温搅拌20min，得到催化剂前驱体；
步骤3：将步骤2所得催化剂前驱体置于500℃的空气中煅烧15min，催化剂中残碳量为10％，粉碎成大于20目粉体备用。
2)碳纳米管的生长与纯化
采用各实施例和对比例得到的催化剂进行碳纳米管的生长与纯化，各组催化剂对应的生长与纯化参数均保持一致。
步骤4：将各实施例和对比例得到的催化剂(2kg～4kg)加入到反应器中，升温到900℃，惰性气体中处理10～30min，再通入甲烷(或天然气)(400L/min～700L/min)与惰性气体(300L/min～800L/min)混合物5min～20min。在惰性气体保护下冷却到小于100℃取出样品。该样品中，利用实施例1～实施例3的催化剂所得样品中碳纳米管的纯度≥20％。
步骤5：将步骤4得到的样品放置于350℃～550℃中的空气气氛中煅烧30min～60min，再用60℃～95℃、浓度为5％～15％的盐酸酸洗4h，再过滤洗涤烘干，得到纯化后的单壁碳纳米管。其中，利用实施例1～实施例3的催化剂所得纯化后的碳纳米管的纯度≥99.0％。
对步骤5纯化后的碳纳米管进行比表面积(静态法)测试、灰分测试、扫描电镜(SEM)、高分辨率透射电镜(HRTEM)以及石墨化程度测试。
其中灰分测试的方法为：称量约1g纯化后的样品(精确到0.0001g)置于900℃的马弗炉中煅烧4h，取出置于干燥器中冷却到室温，称量残余重量，计算残余重量占初始重量的百分比即为灰分。
石墨化程度：通过拉曼光谱测试样品在1570～1610cm-1范围内的峰值强度IG，以及在1320～1360cm-1范围内的峰值强度ID，并计算两者IG/ID值(G/D比)。
实施例1所得纯化后的碳纳米管的高分辨透射电镜图像和扫描电镜图分别如图1和2所示。从图中可以看出，实施例1顺利制得了碳纳米管，且所得碳纳米管为单壁碳纳米管。实施例2、实施例3的碳纳米管具有与实施例1相似的形貌。
实施例1～实施例3、对比例1～对比例3的测试结果如表1所示。
表1单壁碳纳米管纯化后性能
Figure BDA0003448810110000101
从表1可以看出层，实施例1～实施例3形成高粘度溶胶或冻胶，且所得催化剂残碳量在3％～10％范围内，最终碳纳米管的收率达到10％～15％，且经过一步空气氧化和酸洗使产品中灰分降低到0.5％以内，产品的G/D比大于15，石墨化程度较高。对比例1或2中煅烧的残碳率过低或过高，都使催化剂的性能下降，对比例3中未能形成高粘度溶胶或冻胶，导致煅烧过程中催化剂团聚、烧结，所生长的碳纳米管的收率、灰分以及石墨化程度都远不及实施例1。
同时，通过对催化剂、碳纳米管生长、纯化的成本计算，实施例1～实施例3的单壁碳纳米管的生产成本均低于3000元/kg。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将增稠剂和有机配体溶于溶剂中，得到粘度≥20000mPa•s/25℃的高粘度溶胶或冻胶；
使活性组分金属盐溶于所述高粘度溶胶或冻胶中，得到催化剂前驱体；
将所述催化剂前驱体煅烧至残碳量为3%～10%，得到催化剂；
所述催化剂前驱体中还含有非活性组分金属盐，所述溶剂、增稠剂、有机配体、活性组分金属盐、非活性组分金属盐的质量份为：
溶剂100份
增稠剂0.2～5份
有机配体20～50份
活性组分金属盐0.5～15份
非活性组分金属盐40～120份；
所述增稠剂包括羧甲基瓜尔胶、明胶、聚丙烯酰胺、长角豆胶、葡甘露聚糖、黄原胶、胶原蛋白中的至少一种；
所述有机配体为多元羧酸，所述多元羧酸包括柠檬酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、酒石酸、乳酸、甘氨酸、乙二胺四乙酸、氨三乙酸、环己二胺四乙酸中的至少一种；
所述活性组分金属盐包括过渡金属盐，包括Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Au、Ag、Mo中的任意一种或多种的水溶性盐；
所述非活性组分金属盐包括Mg、Al、Ti、Ca中的一种或多种的水溶性盐。
2.根据权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于：所述煅烧温度为300℃～700℃。
3.根据权利要求1或2所述催化剂的制备方法，其特征在于：所述煅烧过程在含氧气氛中进行。
4.一种催化剂，其特征在于：由权利要求1～3任一项所述制备方法制得。
5.一种制备碳纳米管的方法，其特征在于：包括如下步骤：
对权利要求4所述催化剂进行还原处理，得到活化后的催化剂；
使用所述活化后的催化剂对气体碳源进行催化裂解，得到碳纳米管。
6.根据权利要求5所述制备碳纳米管的方法，其特征在于：所述碳纳米管为单/双壁碳纳米管。
7.根据权利要求5所述制备碳纳米管的方法，其特征在于：所述催化裂解后，还包括纯化的步骤，所述纯化的步骤具体为：对所述催化裂解得到的产物依次进行氧化、酸洗。
8.根据权利要求7所述制备碳纳米管的方法，其特征在于：所述氧化、酸洗的次数为1～3次。
9.根据权利要求7所述制备碳纳米管的方法，其特征在于：所述氧化、酸洗的次数为1次。
10.根据权利要求9所述制备碳纳米管的方法，其特征在于：所述催化裂解后得到的碳纳米管纯度≥20%；经过1次氧化、酸洗后，得到的碳纳米管纯度≥99.0%。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115353094A (zh) * 2022-07-18 2022-11-18 北京市科学技术研究院资源环境研究所 一种碳纳米管的固相纯化方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101224434A (zh) * 2007-12-29 2008-07-23 中国科学院长春应用化学研究所 一种纳米粒子碳纳米管复合物催化剂的制备方法
CN113058605A (zh) * 2021-03-08 2021-07-02 新奥石墨烯技术有限公司 碳纳米管用催化剂及其制备方法和应用

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060002476A (ko) * 2004-07-02 2006-01-09 삼성에스디아이 주식회사 탄소나노튜브 제조용 촉매 베이스의 제조 방법 및 이를이용한 탄소나노튜브 제조 방법
CN1326613C (zh) * 2004-11-11 2007-07-18 宁波华实纳米材料有限公司 高产率制备碳纳米管的复合金属氧化物催化剂及其制备方法
CN100404130C (zh) * 2005-09-30 2008-07-23 清华大学 一种制备单壁或双壁碳纳米管的负载型催化剂的制备方法
CN102341345B (zh) * 2009-03-04 2014-03-12 东丽株式会社 含碳纳米管组合物、碳纳米管制造用催化剂体和碳纳米管水性分散液
JP2016538401A (ja) * 2013-08-29 2016-12-08 ボード・オブ・リージエンツ，ザ・ユニバーシテイ・オブ・テキサス・システム 蓄熱ユニット、それらの成分、ならびにそれらの作製及び使用方法
CN109399611A (zh) * 2017-08-16 2019-03-01 东北林业大学 一种碳纳米管的制备方法
CN110801843B (zh) * 2019-11-11 2022-07-01 内蒙古骏成新能源科技有限公司 二段法制备高倍率超细管径的碳纳米管及其催化剂和制备方法
CN112871181A (zh) * 2019-11-29 2021-06-01 新奥石墨烯技术有限公司 一种碳纳米管催化剂及其制备方法、碳纳米管的制备方法
CN113292067A (zh) * 2021-04-15 2021-08-24 佛山市格瑞芬新能源有限公司 一种壁数可控的寡壁碳纳米管的制备方法
CN113247883A (zh) * 2021-04-15 2021-08-13 佛山市格瑞芬新能源有限公司 一种纯化碳纳米管的方法
CN113209969A (zh) * 2021-04-15 2021-08-06 佛山市格瑞芬新能源有限公司 一种制备碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用
CN113731433B (zh) * 2021-08-30 2024-02-02 福建海梵领航科技有限公司 一种微量钼掺杂的铁基催化剂及其制备方法和应用

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101224434A (zh) * 2007-12-29 2008-07-23 中国科学院长春应用化学研究所 一种纳米粒子碳纳米管复合物催化剂的制备方法
CN113058605A (zh) * 2021-03-08 2021-07-02 新奥石墨烯技术有限公司 碳纳米管用催化剂及其制备方法和应用

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