CN116002667A - 一种在纳米零价铁上直接生长碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，用于碳纳米材料的技术领域。具体方法如下：将盛放有纳米零价铁的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区，将碳源乙醇、促进剂噻吩和水的混合溶液通过微量注射泵或雾化器注入载气气流中，高温下生成单壁碳纳米管。本发明的优点在于：相比较于其他方法，使用纳米零价铁作为催化剂，可避免氢气的使用，提高了反应的安全性，同时提高了催化剂的利用率，保证了单壁碳纳米管纯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，具体是一种利用化学气相沉积法连制备单壁碳纳米管的方法，用于碳纳米材料的技术领域。
背景技术
目前高温化学气相沉积法是制备单壁碳纳米管最稳定的方法，化学气相沉积法常以乙醇为碳源、二茂铁为催化剂、噻吩和水作为促进剂，同时在氢气或惰性气体气氛下制备连续单壁碳纳米管。这种方法催化剂利用率低，纤维纯度不高，并且氢气的使用使反应存在安全隐患。CN202110370048.1制备碳纳米管的催化剂有金属单质和化合物，金属单质有Fe、Co、Ni、Mo、Cr、Cu、Pt等，也可以用双金属、多金属和合金作为催化剂，化合物包括上述金属的盐、氧化物等。负载型金属催化剂有可很好的解决金属单质催化剂颗粒的团聚、富集等问题。可见已有金属单质作为催化剂，存在团聚、富集导致催化活性低的问题。因此如何直接以纳米零价铁为催化剂，在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管，是本发明所要解决的技术问题。纳米零价铁催化剂的应用可解决二茂铁反应安全性和对纤维纯度的提高具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，该方法可以克服现有技术的缺点，实现高纯单壁碳纳米管的连续生产。该方法提高了安全性，降低了生产成本。
本发明通过如下技术方案予以实现。
将盛放有催化剂纳米零价铁的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区。将碳源和促进剂的混合溶液用微量注射泵注入载气气流中，在高温合成反应器中进行反应，生成连续单壁碳纳米管。
进一步，碳源为碳氢气体、含碳有机物或混合碳源。碳氢气体包括一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯和乙炔等；含碳有机物包括甲醇、乙醇、乙醚、苯、二甲苯、正己烷等。混合碳源包括碳氢气体之间的混合，碳氢气体与含碳有机物之间的混合，含碳有机物之间的混合。进一步，催化剂为铁、钴、镍、铜、金等金属的纳米零价单质，包含纳米零价铁、纳米零价铜等及其混合物。进一步优选催化剂为铁。进一步，促进剂包括噻吩、水、硫化氢、二硫化碳等或其混合物。进一步，载气为氩气、氮气、氦气或其混合，载气气流为400-2000ml/min。
进一步，高温为800-1500℃，优选1050-1300℃。进一步，金属单质催化剂的粒径为2-4nm。微量注射泵将注射器里的混合溶液注入载气气流中速率为11.3ml/h。碳源、促进剂的用量关系为25：0.14。
本发明提供了一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，将盛放有催化剂纳米零价铁的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区，再将碳源乙醇、促进剂通过微量注射泵或雾化器注入载气气流中，高温下生成连续单壁碳纳米管。使用纳米零价铁作为催化剂，可避免氢气的使用，提高了反应的安全性，提高了催化剂的利用率，增加了纤维纯度，提高了实验安全性。
附图说明
图1为纳米零价铁照片。
图2为制备的单壁碳纳米管TEM图。
图3为制备的单壁碳纳米管照片。
具体实施方式
本发明提供了一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，通过将盛放有催化剂纳米零价铁的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区来实现单壁碳纳米管的连续生产。
实施例1
将盛放有粒径为2-4nm催化剂纳米零价铁的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区。以乙醇为碳源、噻吩为促进剂，以氩气作为载气制备单壁碳纳米管。其中将25g乙醇、0.14g噻吩超声分散混合，得混合液，放入注射器，安装在反应器一端。向刚玉管内通入氩气，气体流速为3mm/s，升炉温至1150℃，用微量注射泵将注射器里的混合溶液以每小时11.3ml的速率注入到刚玉管内，通过观察窗观察炉内，发现管内有连续碳纳米管生成且较均匀。直接收集得到的连续单壁碳纳米管经检测纯度为93％。
实施例2
过程同实施例1，区别仅在于，将催化剂纳米零价铁改用纳米零价镍，在该条件下进行反应，观察到气流中有单壁碳纳米管形成。收集得到的连续单壁碳纳米管经检测纯度为90％。
实施例3
过程同实施例1，区别仅在于，将升炉温至1150℃改为升炉温至1200℃，在该条件下进行反应，观察到气流中有单壁碳纳米管形成。收集得到的连续单壁碳纳米管经检测纯度为93％。
实施例4
过程同实施例1，别仅在于，将通入氩气改用氩气和氮气混合气体，在该条件下进行反应，观察到气流中有连续单壁碳纳米管形成。收集得到的连续单壁碳纳米管经检测纯度为95％。
Claims (7)
1.一种在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征在于，将盛放有纳米零价铁催化剂的刚玉舟放置在卧式反应炉的恒温区，将碳源、促进剂通过微量注射泵或雾化器注入载气气流中，由气体携入反应区，高温下生成连续单壁碳纳米管；其中所述的载气为氩气、氮气或其混合气体；促进剂包括噻吩、水、硫化氢、二硫化碳或其混合物。
2.根据权利要求1所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，所述的碳源为含碳气体或含碳的有机物。
3.根据权利要求2所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，所述的碳源为甲醇或乙醇。
4.根据权利要求1所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，所述的高温为1050-1300℃。
5.根据权利要求1所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，促进剂为噻吩。
6.根据权利要求1所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，载气气流为400-2000ml/min。
7.根据权利要求1所述的在纳米零价铁上直接生长单壁碳纳米管的方法，其特征是，所述的纳米零价铁为球形，直径为2-4nm。
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