CN1663681A - 一种碳纳米管制备催化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备碳纳米管的催化剂，利用本催化剂，可用简单的工艺方法热解乙炔制备碳纳米管。可用于碳纳米管的大规模生产；利用本催化剂生成的碳纳米管管径可控，产率较高且提纯简单；本催化剂的主要成分为铁的氧化物，包括，Fe2O3和Al2O3，其中铁元素占摩尔百分比为1％～39％，铝元素占摩尔百分比为1％～39％，氧元素所占摩尔百分比为60％，具有不同Al含量的催化剂，其催化活性不同，本催化剂外观为黄褐色粉末，其粒径20～80纳米。合成的碳纳米管外径为10～40nm。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管制备催化剂。
背景技术
二十世纪九十年代末发展起来的化学气相沉积法(CVD)是有望用于大规模制备碳纳米管的新方法。该方法以碳氢化合物，如甲烷，乙炔等为原料，采用低于1000℃的温度催化热解生成碳纳米管。它具有合成温度较低，设备简单，无需抽真空，原材料成本低，反应过程可控性强，生成物纯度高等许多优点，因而是有望实现工业化规模生产的，极具商业化前景的碳纳米管生产方法，化学气相沉积法制备碳纳米管的关键在于催化剂的组份和制备过程工艺条件。目前用于化学气相法制备碳纳米管所用的催化剂主要有纳米级的过渡金属及金属氧化物，活性过渡金属/稀土以及过渡金属氧化物/二氧化硅，这些催化剂用于碳纳米管的制备存在的不足之处在于：一，催化剂制备工艺复杂，且催化活性较小；二，制备出的碳纳米管的纯度不高，且提纯工艺复杂。本发明中的催化剂制备工艺简单，用于碳纳米管合成所需工艺简单，碳纳米管纯度较高，且提纯工艺简单，只需常用的酸洗过程，是大规模制备碳纳米管所需的理想的催化剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纳米管制备催化剂及制备工艺。
本发明所述的催化剂是以铁的系列氧化物为主要成分，含有成份Fe，O和Al，其中铁的氧化物为活性成分，包括，Fe2O3；其中铁元素占摩尔百分比为1％～39％，铝元素占摩尔百分比为39％～1％，氧元素所占摩尔百分比为60％(与下面的Fe/Al摩尔比对应)，Al为分散成分，Al所占的比例对催化剂的催化性能有很大影响，具有不同Al含量的催化剂，其催化活性不同。本催化剂外观为黄褐色，粒度分布为20～200nm。
本催化剂制备工艺为：称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇，点火燃烧后所得产物即成。
其用于制备碳纳米管的工艺为：采用卧式管式炉，首先在催化剂上通100～200sccm的氮气排除反应装置中的空气，然后升温，当装置温度上升到约873K时通入流量为50～200sccm的氢气，继续升温，当装置温度上升到1000K时通入乙炔，乙炔流量为300～50sccm。反应10～40分钟后停止加热，将气体切换为氮气，在氮气氛下降温，收集产物得到碳纳米管。
具体实施方式
以下是用本催化剂制备碳纳米管的实例。
应用实例1：
称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐(nFe3+∶nAl3+＝1∶39)在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇引燃剂，点火燃烧后所得产物为Fe/Al摩尔比为1∶39的催化剂。将装有0.5g本催化剂(Fe/Al摩尔比为1∶39)的石英舟放入反应室中，通入氮气加热至873K时再通入氢气，氢气流量为50sccm乙炔，当装置温度上升到1000K时，通入乙炔，调节乙炔流量为100sccm，在1000K下反应0.5h后停止加热，将气体切换为氮气，通入氮气直至装置冷却到室温，得到深黑色蓬松的碳灰。碳纳米管的形貌和管径由透射电子显微镜和扫描电子显微镜观测，其管外径为10～20nm。将得到的产物放入100ml的烧杯中，加入过量的25％的盐酸，充分搅拌，用医用细菌漏斗抽滤，除去滤液后用去离子水洗涤，直至完全洗净。将得到的滤渣于750K的温度下干燥(与空气接触)，干燥约4小时，即得到纯的碳纳米管。碳纳米管的产率为450％，碳纳米管的纯度为80％(碳纳米管的产率＝所得纯的碳纳米管的质量/催化剂的质量；碳纳米管的纯度＝所得纯的碳纳米管的质量/(提纯前的产物的质量-催化剂的质量))
应用实例2：
称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐(nFe3+∶nAl3+＝1∶2.08)在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇引燃剂，点火燃烧后所得产物为Fe/Al摩尔比为1∶2.08的催化剂。将装有0.25g本催化剂(Fe/Al摩尔比为1∶2.08)的石英舟放入反应室中，通入氮气加热至873K时再通入氢气，氢气流量为50sccm乙炔，当装置温度上升到1000K时，通入乙炔，调节乙炔流量为100sccm，在1000K下反应0.5h后停止加热，将气体切换为氮气，通入氮气直至装置冷却到室温，得到深黑色蓬松的碳灰。碳纳米管的形貌和管径由透射电子显微镜和扫描电子显微镜观测，其管外径为10～30nm。将得到的产物放入100ml的烧杯中，加入过量的25％的盐酸，充分搅拌，用医用细菌漏斗抽滤，除去滤液后用去离子水洗涤，直至完全洗净。将得到的滤渣于750K的温度下干燥(与空气接触)，干燥约4小时，即得到纯的碳纳米管。碳纳米管的产率为350％，碳纳米管的纯度为85％。
应用实例3：
称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐(nFe3+∶nAl3+＝1∶1)在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇引燃剂，点火燃烧后所得产物为Fe/Al摩尔比为1∶1的催化剂。将装有1.0g本催化剂(Fe/Al摩尔比为1∶1)的石英舟放入反应室中，通入氮气加热至873K时再通入氢气，氢气流量为50sccm乙炔，当装置温度上升到1000K时，通入乙炔，调节乙炔流量为100sccm，在1000K下反应0.5h后停止加热，将气体切换为氮气，通入氮气直至装置冷却到室温，得到深黑色蓬松的碳灰。碳纳米管的形貌和管径由透射电子显微镜和扫描电子显微镜观测，其管外径为15～30nm。将得到的产物放入100ml的烧杯中，加入过量的25％的盐酸，充分搅拌，用医用细菌漏斗抽滤，除去滤液后用去离子水洗涤，直至完全洗净。将得到的滤渣于750K的温度下干燥(与空气接触)，干燥约4小时，即得到纯的碳纳米管。碳纳米管的产率为300％，碳纳米管的纯度为90％。
应用实例4：
称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐(nFe3+∶nAl3+＝2.08∶1)在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇引燃剂，点火燃烧后所得产物为Fe/Al摩尔比为2.08∶1的催化剂。将装有1.0g本催化剂(Fe/Al摩尔比为2.08∶1)的石英舟放入反应室中，通入氮气加热至873K时再通入氢气，氢气流量为50sccm乙炔，当装置温度上升到1000K时，通入乙炔，调节乙炔流量为100sccm，在1000K下反应0.5h后停止加热，将气体切换为氮气，通入氮气直至装置冷却到室温，得到深黑色蓬松的碳灰。碳纳米管的形貌和管径由透射电子显微镜和扫描电子显微镜观测，其管外径为20～35nm。将得到的产物放入100ml的烧杯中，加入过量的25％的盐酸，充分搅拌，用医用细菌漏斗抽滤，除去滤液后用去离子水洗涤，直至完全洗净。将得到的滤渣于750K的温度下干燥(与空气接触)，干燥约4小时，即得到纯的碳纳米管。碳纳米管的产率为250％，碳纳米管的纯度为90％。
应用实例5：
称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐(nFe3+∶nAl3+＝39∶1)在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，充分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇引燃剂，点火燃烧后所得产物为Fe/Al摩尔比为39∶1的催化剂。将装有1.0g本催化剂(Fe/Al摩尔比为39∶1)的石英舟放入反应室中，通入氮气加热至873K时再通入氢气，氢气流量为50sccm乙炔，当装置温度上升到1000K时，通入乙炔，调节乙炔流量为100sccm，在1000K下反应0.5h后停止加热，将气体切换为氮气，通入氮气直至装置冷却到室温，得到深黑色蓬松的碳灰。碳纳米管的形貌和管径由透射电子显微镜和扫描电子显微镜观测，其管外径为20～40nm。将得到的产物放入100ml的烧杯中，加入过量的25％的盐酸，充分搅拌，用医用细菌漏斗抽滤，除去滤液后用去离子水洗涤，直至完全洗净。将得到的滤渣于750K的温度下干燥(与空气接触)，干燥约4小时，即得到纯的碳纳米管。碳纳米管的产率为200％，碳纳米管的纯度为95％。
Claims (2)
1.一种碳纳米管制备催化剂，其特征在于：所述的催化剂是以铁的系列氧化物为主要成分，含有成份Fe，O和Al，铁的氧化物为活性成分，Al为分散成分，其中铁元素占摩尔百分比为1％～39％，铝元素占摩尔百分比为39％～1％，氧元素所占摩尔百分比为60％，不同Al含量的催化剂，其催化活性不同，所述的催化剂粒度分布为20～200nm。
2.一种权利要求1所述的催化剂制备工艺，其特征在于如下步骤：：称取适当比例的硝酸铁盐和硝酸铝盐在蒸馏水中溶解，加入适量的有机酸，分搅拌均匀后，加入氨水调节溶液PH值为7，将溶液在120℃下烘干，将完全干燥后得到的固体物质中加入95％乙醇，点火燃烧后所得产物即成。
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