JP6357215B2 - Continuous production process and catalyst for carbon nanotube production for mass production of multi-wall carbon nanotubes - Google Patents

Continuous production process and catalyst for carbon nanotube production for mass production of multi-wall carbon nanotubes Download PDF

Info

Publication number
JP6357215B2
JP6357215B2 JP2016228866A JP2016228866A JP6357215B2 JP 6357215 B2 JP6357215 B2 JP 6357215B2 JP 2016228866 A JP2016228866 A JP 2016228866A JP 2016228866 A JP2016228866 A JP 2016228866A JP 6357215 B2 JP6357215 B2 JP 6357215B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
catalyst
carbon nanotube
carbon nanotubes
production
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016228866A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018065122A (en
Inventor
ヒョ リュウ サン
ヒョ リュウ サン
キュン スン ヒュン
キュン スン ヒュン
ヘオン ジョン チュン
ヘオン ジョン チュン
ファン キム ドン
ファン キム ドン
Original Assignee
コリア クムホ ペトロケミカル カンパニー., リミテッド
コリア クムホ ペトロケミカル カンパニー., リミテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コリア クムホ ペトロケミカル カンパニー., リミテッド, コリア クムホ ペトロケミカル カンパニー., リミテッド filed Critical コリア クムホ ペトロケミカル カンパニー., リミテッド
Publication of JP2018065122A publication Critical patent/JP2018065122A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6357215B2 publication Critical patent/JP6357215B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/16Preparation
    • C01B32/162Preparation characterised by catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/84Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/85Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/88Molybdenum
    • B01J23/882Molybdenum and cobalt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/0009Use of binding agents; Moulding; Pressing; Powdering; Granulating; Addition of materials ameliorating the mechanical properties of the product catalyst
    • B01J37/0027Powdering
    • B01J37/0045Drying a slurry, e.g. spray drying
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • B01J37/082Decomposition and pyrolysis
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/16Preparation
    • C01B32/164Preparation involving continuous processes

Description

本発明は、カーボンナノチューブの大量生産のための連続的製造工程とカーボンナノチューブの製造用触媒に関するものである。さらに詳細には、 多層壁カーボンナノチューブの大量生産のための触媒とカーボンナノチューブ連続的製造工程とカーボンナノチューブ製造用触媒に関するものである。 The present invention relates to a continuous production process for mass production of carbon nanotubes and a catalyst for producing carbon nanotubes. More specifically, the present invention relates to a catalyst for mass production of multi-walled carbon nanotubes, a continuous production process of carbon nanotubes, and a catalyst for producing carbon nanotubes.

1991年飯島澄男博士によって初めて発見されたカーボンナノチューブは、一つの炭素が他の炭素原子と六角形の構造に結合されてチューブ形状の物質であり、チューブの直径が数nmレベルで極めて小さな領域の物質ある。カーボンナノチューブは、優れた機械的特性、 優れた電気的選択性、優れた電界放出特性、高効率の水素貯蔵媒体の特性のために、将来的に有望な新素材として知られている。したがって、カーボンナノチューブは、航空宇宙、バイオテクノロジー、環境エネルギー、材料産業、医薬医療、電子コンピュータなどの幅広い技術分野にその適用が可能なことが知られている。   Carbon nanotubes, first discovered by Dr. Sumio Iijima in 1991, are tube-shaped materials in which one carbon is bonded to another carbon atom and a hexagonal structure. There is a substance. Carbon nanotubes are known as a promising new material in the future because of their excellent mechanical properties, excellent electrical selectivity, excellent field emission properties, and the properties of highly efficient hydrogen storage media. Therefore, it is known that carbon nanotubes can be applied to a wide range of technical fields such as aerospace, biotechnology, environmental energy, material industry, pharmaceutical medicine, and electronic computers.

カーボンナノチューブを大規模に生産するために、適切な触媒の製造及び大規模にカーボンナノチューブを合成するためのカーボンナノチューブの製造工程に関する研究が活発に行われている。   In order to produce carbon nanotubes on a large scale, research on the production of an appropriate catalyst and the production process of carbon nanotubes for synthesizing carbon nanotubes on a large scale has been actively conducted.

これらのカーボンナノチューブを大規模に生産するためには、触媒の製造工程とカーボンナノチューブの製造工程を別々の単一工程で設計することも、1つの連続的製造工程で設計することもできますが、別の単一工程で製造する場合、触媒の製造工程で製造されたカーボンナノチューブ製造用触媒組成物の保存安定性に伴う触媒活性の低下の問題が発生することができる。   In order to produce these carbon nanotubes on a large scale, the catalyst manufacturing process and the carbon nanotube manufacturing process can be designed in separate single processes or in one continuous manufacturing process. In the case where the catalyst is produced in another single process, there may be a problem that the catalyst activity is lowered due to the storage stability of the catalyst composition for producing carbon nanotubes produced in the catalyst production process.

すなわち、カーボンナノチューブ製造用触媒組成物の場合、時間が経過するにつれて、その触媒の様々な金属元素の間の凝集、崩壊などの物理的な形状変化だけでなく、高温での触媒の活性が低下して製造後相当期間が経過した触媒組成物にはカーボンナノチューブを高純度、高収率で合成することは難しかっただろう。   In other words, in the case of a catalyst composition for producing carbon nanotubes, not only the physical shape change such as aggregation and collapse between various metal elements of the catalyst but also the activity of the catalyst at high temperature decreases with time. Thus, it would have been difficult to synthesize carbon nanotubes with high purity and high yield in a catalyst composition after a considerable period of production.

したがってカーボンナノチューブ製造用触媒の製造工程とカーボンナノチューブの製造工程は、単一の連続的製造工程で接続させて反応を進行することがより好ましい。
カーボンナノチューブを製造する触媒金属としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの金属が知られている。また、上記金属のほか、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、タングステン(W)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)などの金属もカーボンナノチューブ製造用触媒活性を有することが知られている。また、最近では、触媒の活性をさらに増進させるために、不活性支持体に触媒を担持させた担持触媒が開発されている。
Therefore, it is more preferable that the production process of the catalyst for producing carbon nanotubes and the production process of carbon nanotubes are connected in a single continuous production process and the reaction proceeds.
As catalyst metals for producing carbon nanotubes, metals such as iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) are known. In addition to the above metals, metals such as chromium (Cr), manganese (Mn), molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten (W), tin (Sn), palladium (Pd), copper (Cu), etc. It is known to have catalytic activity for producing carbon nanotubes. Recently, in order to further enhance the activity of the catalyst, a supported catalyst in which a catalyst is supported on an inert support has been developed.

PCT国際公報WO2010/047439 A1号(特許文献1)には、カーボンナノチューブ合成用担持触媒、その製造方法及びこれを用いたカーボンナノチューブ’はFe、CoまたはNiの中、選択した複数の金属触媒をアルミナ、酸化マグネシウム、またはシリカ支持体に担持させた触媒が開示されている。   PCT International Publication No. WO2010 / 047439 A1 (Patent Document 1) describes a supported catalyst for carbon nanotube synthesis, a method for producing the same, and a carbon nanotube using the same, a plurality of metal catalysts selected from Fe, Co or Ni. Catalysts supported on alumina, magnesium oxide or silica supports are disclosed.

さらに上記特許文献1では、Fe、CoまたはNi触媒金属の触媒活性を促進させるための活性化剤としてモリブデン(Mo)を開示している。このとき、触媒組成物中のモリブデンの役割を見ると、触媒の製造工程で噴霧乾燥させた触媒粉末を500〜600℃の高温で約0.5時間焼成時Fe、CoまたはNiの触媒金属と支持体(Al、Mg、Si)との間の凝集および崩壊を防止するための熱安定剤に添加されるものである。したがってモリブデンは、カーボンナノチューブ製造用触媒組成物内に必要に応じて選択的に添加する、選択的成分であるものであった。   Further, Patent Document 1 discloses molybdenum (Mo) as an activator for promoting the catalytic activity of Fe, Co or Ni catalytic metals. At this time, looking at the role of molybdenum in the catalyst composition, the catalyst powder spray-dried in the catalyst production process is calcined at a high temperature of 500 to 600 ° C. for about 0.5 hours, and the catalyst metal and support of Fe, Co or Ni It is added to a heat stabilizer for preventing aggregation and collapse between (Al, Mg, Si). Therefore, molybdenum has been a selective component that is selectively added to the carbon nanotube production catalyst composition as necessary.

一方、本発明者らは、すでに多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物として、多数の触媒組成物を開発しており、これは、次のとおりである。
米国特許登録第8,048,821号(特許文献2)『薄い多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物及びその製造方法』では、[Fea:Alb]x:My:Mgzの組成で構成されたカーボンナノチューブ製造用触媒組成物を開示している。このときFe、Alは、触媒活性物質として鉄、アルミニウム、その酸化物または誘導体を表し、Mgは不活性支持体としてマグネシウム、その酸化物または誘導体を表し、MはCo、Ni、Cr、Mn、Mo、W、V、SnまたはCuの中から選ばれた一つまたは複数の遷移金属またはその酸化物、誘導体を示すものである。
On the other hand, the present inventors have already developed a large number of catalyst compositions as catalyst compositions for producing multi-walled carbon nanotubes, which are as follows.
In US Pat. No. 8,048,821 (patent document 2) “Catalyst composition for producing thin multi-walled carbon nanotubes and method for producing the same”, carbon composed of [Fe a : Al b ] x : M y : Mg z A catalyst composition for producing nanotubes is disclosed. At this time, Fe, Al represents iron, aluminum, oxide or derivative thereof as a catalytically active substance, Mg represents magnesium, oxide or derivative thereof as an inert support, M represents Co, Ni, Cr, Mn, One or more transition metals selected from Mo, W, V, Sn or Cu, or oxides and derivatives thereof are shown.

米国特許登録第8,673,807号(特許文献3)『多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物』では、[Coa:Alb]x:My:Mgzの組成で構成されたカーボンナノチューブ製造用触媒組成物を開示している。このときCo、Alは、触媒活性物質としてコバルト、アルミニウム、その酸化物または誘導体を表し、Mgは不活性支持体としてマグネシウム、その酸化物または誘導体を表し、MはNi、Cr、Mn、Mo、W、Pb、Ti、SnまたはCuの中から選ばれた一つまたは複数の遷移金属またはその酸化物、誘導体を示すものである。 In US Pat. No. 8,673,807 (patent document 3) “catalyst composition for producing multi-walled carbon nanotubes”, a catalyst composition for producing carbon nanotubes comprising a composition of [Co a : Al b ] x : M y : Mg z We are disclosing things. At this time, Co, Al represents cobalt, aluminum, oxide or derivative thereof as a catalytically active substance, Mg represents magnesium, oxide or derivative thereof as an inert support, M represents Ni, Cr, Mn, Mo, One or more transition metals selected from W, Pb, Ti, Sn or Cu, or oxides and derivatives thereof are shown.

米国特許登録第9,186,656号(特許文献4)『多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物』では、[Fea:Mob]x:My:Alzの組成で構成されたカーボンナノチューブ製造用触媒組成物を開示している。このときFe、Moは、触媒活性物質として鉄、モリブデン、その酸化物または誘導体などを示し、Alは不活性支持体としてアルミニウム、その酸化物または誘導体を表し、MはCo、Ni、Ti、Mn、W、SnまたはCuの中から選択された複数の遷移金属またはその酸化物、誘導体を示すものである。 In US Pat. No. 9,186,656 (Patent Document 4) “Catalyst composition for producing multi-walled carbon nanotubes”, a catalyst composition for producing carbon nanotubes comprising a composition of [Fe a : Mo b ] x : M y : Al z We are disclosing things. At this time, Fe and Mo represent iron, molybdenum, oxides or derivatives thereof as catalytic active substances, Al represents aluminum, oxides or derivatives thereof as inert supports, M represents Co, Ni, Ti, Mn , W, Sn, or a plurality of transition metals selected from Cu or oxides or derivatives thereof.

したがって、本発明者らが既に開発された多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物の構成成分を見ると、米国特許登録第8,048,821号(特許文献2)では、Fe、Alを必須構成成分として含まれており、米国特許登録第8,673,807号(特許文献3)では、Co、Alを必須構成成分として含まれており、米国特許登録第9,186,656号(特許文献4)では、Fe、Moを必須構成成分として含まれていた。   Therefore, looking at the constituents of the catalyst composition for producing multi-walled carbon nanotubes already developed by the present inventors, US Pat. No. 8,048,821 (Patent Document 2) contains Fe and Al as essential constituents. In US Pat. No. 8,673,807 (Patent Document 3), Co and Al are included as essential constituents. In US Pat. No. 9,186,656 (Patent Document 4), Fe and Mo are used as essential constituents. It was included.

上記特許文献2〜4に開示された触媒組成物から、より好ましい多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物の最適な構成成分は、主触媒(Fe、Co)、補助触媒(Mo)と支持体(Al)で構成された触媒組成物と予測される。   From the catalyst compositions disclosed in Patent Documents 2 to 4, the most preferable components of the catalyst composition for producing multi-walled carbon nanotubes are the main catalyst (Fe, Co), the auxiliary catalyst (Mo) and the support ( A catalyst composition composed of Al) is expected.

WO2010/047439号WO2010 / 047439 米国特許登録第8,048,821号U.S. Patent Registration No. 8,048,821 米国特許登録第8,673,807号U.S. Patent Registration No. 8,673,807 米国特許登録第9,186,656号U.S. Patent Registration No. 9,186,656

本発明が解決しようとする課題は、大規模な工程で触媒組成(Fe、Co、Mo、Al)をベースに、様々な組成のカーボンナノチューブ製造用触媒を噴霧熱分解法で製造し、これを使用して、多層壁カーボンナノチューブを流動層反応器で連続的に合成製造する方法を開発することである。また、多層壁カーボンナノチューブの製造のための最適な触媒組成物(Fe、Co、Mo、Al)のモル分率などの最適な含有量比を定義するものである。   The problem to be solved by the present invention is to produce carbon nanotube production catalysts of various compositions by spray pyrolysis method based on catalyst composition (Fe, Co, Mo, Al) in a large-scale process. It is used to develop a method of continuously synthesizing and producing multi-walled carbon nanotubes in a fluidized bed reactor. It also defines an optimal content ratio such as the molar fraction of the optimal catalyst composition (Fe, Co, Mo, Al) for the production of multi-walled carbon nanotubes.

そこで、本発明者らは、大規模な工程ですでに予測された触媒組成(Fe、Co、Mo、Al)をベースに、様々な組成のカーボンナノチューブ製造用触媒を噴霧熱分解法で製造し、これを使用して、多層壁カーボンナノチューブを流動層反応器で連続的に合成製造して、多層壁カーボンナノチューブの製造収率、純度および見掛け密度などを測定してFe、Co、Mo、Alのモル分率などの最適な含有量比を確認することにより、本発明を完成するに至った。   Therefore, the present inventors have produced carbon nanotube production catalysts of various compositions by spray pyrolysis based on the catalyst compositions (Fe, Co, Mo, Al) already predicted in a large-scale process. Using this, multi-walled carbon nanotubes are continuously synthesized and produced in a fluidized bed reactor, and the production yield, purity, apparent density, etc. of multi-walled carbon nanotubes are measured and Fe, Co, Mo, Al By confirming the optimum content ratio such as the molar fraction of the present invention, the present invention has been completed.

本発明の構成は、
1)カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(構成金属元素としてFe、CoおよびMoを含む、単に「Fe、Co、Mo」ということもある)と支持体前駆体(構成金属元素としてAlを含む)を水に溶解させた後、噴霧熱分解法でカーボンナノチューブ製造用触媒粉末を得ている段階;
2)流動層反応器に触媒粉末を供給流動化させ、原料ガスを噴射供給させて、600〜900℃で触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階; および
3)熱蒸着されたカーボンナノチューブを回収選別して、多層壁カーボンナノチューブを得ている段階;
からなる多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程において、
前記カーボンナノチューブ製造用触媒は、主触媒(構成金属元素がFeおよびCo、単にFe、Coということもある)、助触媒(構成金属元素がMo)と支持体(構成金属元素がAl)からなる触媒組成物であり、触媒のカーボンナノチューブの合成収率は1,400〜3,000%であることを特徴とする多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程を提供することである。
The configuration of the present invention is:
1) Catalytic metal precursor for carbon nanotube production (including Fe, Co and Mo as constituent metal elements, sometimes simply “Fe, Co, Mo”) and support precursor (including Al as constituent metal element) A catalyst powder for producing carbon nanotubes is obtained by spray pyrolysis after water is dissolved in water;
2) supplying and fluidizing the catalyst powder to the fluidized bed reactor, injecting and supplying the raw material gas, and performing thermal vapor deposition of carbon on the catalyst particles at 600 to 900 ° C; and
3) Collecting and sorting the thermally deposited carbon nanotubes to obtain multi-walled carbon nanotubes;
In the continuous production process of multi-walled carbon nanotubes consisting of
The catalyst for producing carbon nanotubes comprises a main catalyst (constituent metal elements are Fe and Co, sometimes simply Fe and Co), a cocatalyst (constituent metal element is Mo) and a support (constituent metal element is Al). It is a catalyst composition, and the synthesis yield of catalytic carbon nanotubes is 1,400 to 3,000%, and it is to provide a continuous production process of multi-walled carbon nanotubes.

触媒の合成収率は
式 [触媒の合成収率(%)=カーボンナノチューブの合成量/触媒の投入量×100]
より求める。
The catalyst synthesis yield is expressed by the formula [catalyst synthesis yield (%) = carbon nanotube synthesis amount / catalyst input amount × 100].
Ask more.

また、前記段階1)は、
i)カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(構成金属元素としてFe、CoおよびMoを含む)およびカーボンナノチューブ製造用支持体前駆体(構成金属元素としてAlを含む)を水に溶解させ、触媒溶液を製造し、2〜5気圧の空気を噴霧ガスに供給して、外部の空気を流入させ、触媒溶液をノズルから噴霧する段階と、
ii)600〜1,200℃の反応器内部に噴霧された触媒溶液を高温熱分解させる段階;と
iii)カーボンナノチューブの合成のための触媒粉末を得ている段階;
で行われて、得られた触媒粉末の見掛け密度(apparent density)は0.03〜0.4g/mlのであることを特徴とする。
In addition, the step 1)
i) A catalyst metal precursor for carbon nanotube production (containing Fe, Co and Mo as constituent metal elements) and a support precursor for carbon nanotube production (containing Al as constituent metal elements) are dissolved in water, and a catalyst solution is prepared. Producing, supplying 2-5 atmospheres of air to the atomizing gas, allowing external air to flow in, and spraying the catalyst solution from the nozzle;
ii) high-temperature pyrolysis of the catalyst solution sprayed inside the reactor at 600 to 1,200 ° C .; and
iii) obtaining a catalyst powder for the synthesis of carbon nanotubes;
The catalyst powder obtained has an apparent density of 0.03 to 0.4 g / ml.

また、触媒金属前駆体と支持体前駆体は、金属の硝酸塩、硫酸塩、アルコキシド、塩酸塩または炭酸塩で選択された1種以上の形態であることを特徴とする。
また、前記噴霧ガス圧力は、2.5〜4.0気圧であり、高温熱分解温度は600〜1000℃であることを特徴とする。
Further, the catalyst metal precursor and the support precursor are characterized by being in one or more forms selected from metal nitrate, sulfate, alkoxide, hydrochloride or carbonate.
The spray gas pressure is 2.5 to 4.0 atm, and the high temperature pyrolysis temperature is 600 to 1000 ° C.

一方、上記の段階2)は、
i)反応チャンバ(chamber)を予備加熱させる段階;
ii)反応チャンバ下部から触媒粉末を供給し、反応チャンバ内に流動化させる段階;
iii)反応ガスとキャリアガスからなる原料ガスを反応室下部から噴射供給させる段階;
iv)600〜900℃の反応チャンバ内で回転子の回転による上昇気流に流動化された触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階;
v)排気ガスを排出する段階;と
vi)多層壁カーボンナノチューブを選別回収する段階;
からなることを特徴とする。
On the other hand, the above stage 2)
i) preheating the reaction chamber;
ii) supplying catalyst powder from the lower part of the reaction chamber and fluidizing it in the reaction chamber;
iii) a step of injecting and supplying a source gas comprising a reaction gas and a carrier gas from the lower part of the reaction chamber;
iv) thermal vapor deposition of carbon on catalyst particles fluidized in an updraft by rotation of a rotor in a reaction chamber at 600-900 ° C;
v) exhausting the exhaust gas; and
vi) screening and collecting multi-walled carbon nanotubes;
It is characterized by comprising.

また、前記反応ガスは、炭素数1〜4の飽和または不飽和炭化水素、一酸化炭素、またはベンゼンなど選ばれた1種以上の炭素源ガスであり、キャリアガスはヘリウム、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスであることを特徴とする。   The reactive gas is one or more carbon source gases selected from saturated or unsaturated hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms, carbon monoxide, or benzene, and the carrier gas is helium, nitrogen, argon, or the like. It is an inert gas.

一方、上記カーボンナノチューブ製造用触媒は、下記式で表示する金属元素の組成を有することを特徴とする。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sは Fe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.3≦p≦3.0、 0.1≦q≦3.5、 0.05≦r≦1.0、 2.0≦s≦8.5である。
On the other hand, the carbon nanotube production catalyst has a composition of a metal element represented by the following formula.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, Al,
p + q + r + s = 10
0.3 ≦ p ≦ 3.0, 0.1 ≦ q ≦ 3.5, 0.05 ≦ r ≦ 1.0, 2.0 ≦ s ≦ 8.5.

また、上記カーボンナノチューブ製造用触媒は、下記で表示する金属元素の組成を有することを特徴とする。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sは Fe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.5≦p≦2.5、 0.2≦q≦3.0、 0.1≦r≦0.8、 2.5≦s≦7.5である。
Moreover, the said catalyst for carbon nanotube manufacture has the composition of the metal element displayed below, It is characterized by the above-mentioned.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, Al,
p + q + r + s = 10
0.5 ≦ p ≦ 2.5, 0.2 ≦ q ≦ 3.0, 0.1 ≦ r ≦ 0.8, 2.5 ≦ s ≦ 7.5.

本発明の別の目的は、前記方法によって製造された繊径5〜15nm、バンドル(bundle)直径0.5〜4μmと見掛け密度0.02〜0.1g/ccを持った多層壁カーボンナノチューブを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a multi-walled carbon nanotube having a diameter of 5 to 15 nm, a bundle diameter of 0.5 to 4 μm and an apparent density of 0.02 to 0.1 g / cc manufactured by the above method. .

本発明のさらなる目的は、多層壁カーボンナノチューブとプラスチック高分子樹脂をナノ複合化させた電気伝導度、熱伝導度、帯電防止、電磁波遮蔽、および引張強度が増加したカーボンナノチューブ樹脂複合材を提供することである。   A further object of the present invention is to provide a carbon nanotube resin composite material having increased electrical conductivity, thermal conductivity, antistatic, electromagnetic wave shielding, and tensile strength obtained by nanocompositing multi-walled carbon nanotubes and plastic polymer resin. That is.

本発明の効果は、大規模な工程で触媒組成(Fe、Co、Mo、Al)をベースに、様々な組成のカーボンナノチューブ製造用触媒を噴霧熱分解法で製造し、これを使用して、多層壁カーボンナノチューブを流動層反応器で連続的に合成製造する方法が提供され、多層壁カーボンナノチューブを高収率、高純度、高見掛け密度で製造する触媒組成物(Fe、Co、Mo、Al)を提供することである。   The effect of the present invention is that a catalyst for producing carbon nanotubes of various compositions is produced by a spray pyrolysis method on the basis of a catalyst composition (Fe, Co, Mo, Al) in a large-scale process. A method of continuously synthesizing and producing multi-walled carbon nanotubes in a fluidized bed reactor is provided, and a catalyst composition (Fe, Co, Mo, Al) for producing multi-walled carbon nanotubes with high yield, high purity, and high apparent density is provided. ).

図1は、本発明の噴霧熱分解法によるカーボンナノチューブ製造用触媒組成物の製造装置の一つの実施の形態を示したものである。FIG. 1 shows one embodiment of an apparatus for producing a catalyst composition for producing carbon nanotubes by a spray pyrolysis method of the present invention. 図2は、本発明の熱気相蒸着法によるカーボンナノチューブの製造装置の一つの実施の形態を示したものである。FIG. 2 shows one embodiment of the carbon nanotube production apparatus according to the thermal vapor deposition method of the present invention. 図3は、本発明の噴霧熱分解法によるカーボンナノチューブ製造用触媒組成物の製造工程の一つの実施の形態を示したものである。FIG. 3 shows one embodiment of the production process of the catalyst composition for producing carbon nanotubes by the spray pyrolysis method of the present invention. 図4は、本発明の熱気相蒸着法によるカーボンナノチューブの製造工程の一つの実施の形態を示したものである。FIG. 4 shows one embodiment of the manufacturing process of carbon nanotubes by the thermal vapor deposition method of the present invention.

本発明は、
1)カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(構成金属元素としてFe、CoおよびMoを含む)と支持体前駆体(構成金属元素としてAlを含む)を水に溶解させた後、噴霧熱分解法でカーボンナノチューブ製造用触媒粉末を得ている段階;
2)流動層反応器に触媒粉末を供給流動化させ、原料ガスを噴射供給させて、600〜900℃で触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階; および
3)熱蒸着されたカーボンナノチューブを回収選別して、多層壁カーボンナノチューブを得ている段階;
からなる多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程において、前記カーボンナノチューブ製造用触媒は、主触媒(構成金属元素がFeおよびCo)、助触媒((構成金属元素がMo)と支持体(構成金属元素がAl)からなる触媒組成物であり、触媒のカーボンナノチューブの合成収率は1,400〜3,000%であることを特徴とする多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程に関するものである。
The present invention
1) After dissolving catalyst metal precursor for carbon nanotube production (containing Fe, Co and Mo as constituent metal elements) and support precursor (containing Al as constituent metal elements) in water, spray pyrolysis method Obtaining a catalyst powder for producing carbon nanotubes;
2) supplying and fluidizing the catalyst powder to the fluidized bed reactor, injecting and supplying the raw material gas, and performing thermal vapor deposition of carbon on the catalyst particles at 600 to 900 ° C; and
3) Collecting and sorting the thermally deposited carbon nanotubes to obtain multi-walled carbon nanotubes;
In the continuous production process of multi-walled carbon nanotubes, the carbon nanotube production catalyst comprises a main catalyst (the constituent metal elements are Fe and Co), a cocatalyst (the constituent metal elements are Mo) and a support (the constituent metal elements are The present invention relates to a continuous production process of multi-walled carbon nanotubes, characterized in that the synthesis yield of catalyst carbon nanotubes is 1,400 to 3,000%.

また、本発明で使用されるカーボンナノチューブ製造用触媒は、下記式で表される金属元素の組成を有する。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sは Fe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.3≦p≦3.0、 0.1≦q≦3.5、 0.05≦r≦1.0、 2.0≦s≦8.5である。
The catalyst for producing carbon nanotubes used in the present invention has a metal element composition represented by the following formula.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, Al,
p + q + r + s = 10
0.3 ≦ p ≦ 3.0, 0.1 ≦ q ≦ 3.5, 0.05 ≦ r ≦ 1.0, 2.0 ≦ s ≦ 8.5.

一方、本発明は、上記の方法により製造された繊径5〜15nm、バンドル直径0.5〜4μmと見掛け密度0.02〜0.1 g/ccを持った多層壁カーボンナノチューブと、多層壁カーボンナノチューブとプラスチック高分子樹脂をナノ複合化させた電気伝導度、熱伝導度、帯電防止、電磁波遮蔽、および引張強度が増加したカーボンナノチューブ樹脂複合材を提供することである。   On the other hand, the present invention provides a multi-wall carbon nanotube having a fine diameter of 5 to 15 nm, a bundle diameter of 0.5 to 4 μm and an apparent density of 0.02 to 0.1 g / cc, and a multi-wall carbon nanotube and a plastic polymer produced by the above method. An object of the present invention is to provide a carbon nanotube resin composite material in which electrical conductivity, thermal conductivity, antistatic, electromagnetic wave shielding, and tensile strength are increased by nanocompositing a resin.

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明で使用されるカーボンナノチューブ製造用触媒組成物は、以下のような工程(段階i)〜iii))を備えた噴霧熱分解法で製造する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The carbon nanotube production catalyst composition used in the present invention is produced by a spray pyrolysis method comprising the following steps (steps i) to iii)).

図3は、本発明の噴霧熱分解法によるカーボンナノチューブ製造用触媒組成物の製造工程の一つの実施の形態を示したものである。   FIG. 3 shows one embodiment of the production process of the catalyst composition for producing carbon nanotubes by the spray pyrolysis method of the present invention.

[段階i)]
段階i)は、カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(Fe、Co、Mo)およびカーボンナノチューブ製造用支持体前駆体(Al)を水に溶解させ、触媒溶液を製造し、2〜5気圧の空気を噴霧ガスとして供給して外部の空気を流入させ、触媒溶液をノズルから噴霧する段階である。
[Stage i)]
In step i), a catalyst metal precursor for producing carbon nanotubes (Fe, Co, Mo) and a support precursor for producing carbon nanotubes (Al) are dissolved in water to produce a catalyst solution, and air at 2 to 5 atmospheres Is supplied as an atomizing gas and external air is introduced to spray the catalyst solution from the nozzle.

上記触媒金属前駆体と支持体前駆体は、金属の硝酸塩、硫酸塩、アルコキシド、塩酸塩または炭酸塩で選択された1種以上の形態が望ましい。
図1のカーボンナノチューブ製造用触媒組成物の製造装置では、まず、カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(Fe、Co、Mo)およびカーボンナノチューブ製造用支持体前駆体(Al)を水に溶解させ、触媒溶液を製造し、触媒供給部(140)内の触媒溶液にガス供給部(150)内の噴霧ガスである空気を2〜5気圧で供給してノズル(130)から粒子上で反応器(110)内に噴霧させる。このとき、外部の空気を流入させ、外気ディスペンサー(170)を介して反応器内に噴射させる。
噴霧ガスである空気の圧力は、2.5〜4.0気圧が望ましい。
The catalyst metal precursor and the support precursor are preferably in the form of one or more selected from metal nitrates, sulfates, alkoxides, hydrochlorides or carbonates.
In the apparatus for producing a carbon nanotube production catalyst composition in FIG. 1, first, a catalyst metal precursor for carbon nanotube production (Fe, Co, Mo) and a carbon nanotube production support precursor (Al) are dissolved in water, A catalyst solution is manufactured, and air, which is a spray gas in the gas supply unit (150), is supplied to the catalyst solution in the catalyst supply unit (140) at 2 to 5 atm, and the reactor ( 110) Spray inside. At this time, external air is introduced and injected into the reactor through the outside air dispenser (170).
The pressure of the air that is the atomizing gas is preferably 2.5 to 4.0 atm.

[段階ii)]
段階ii)は、600〜1,200℃の反応器内部に噴霧された触媒溶液を高温熱分解させる段階である。このとき、触媒溶液の高温熱分解温度は600〜1000℃が望ましい。
[Stage ii)]
Stage ii) is a stage in which the catalyst solution sprayed into the reactor at 600 to 1,200 ° C. is pyrolyzed at high temperature. At this time, the high temperature pyrolysis temperature of the catalyst solution is preferably 600 to 1000 ° C.

[段階iii)]
段階iii)は、カーボンナノチューブの合成のための触媒粉末を得ている段階である。最終的に得られた触媒粉末の見掛け密度は0.03〜0.4 g/mlのである。触媒粉末の見掛け密度が0.03 g/mlの以下の場合には、触媒の含有量が低すぎるのでカーボンナノチューブの触媒合成収率が低くなる。また、触媒粉末の見掛け密度が0.4 g/mlの以上の場合にも、触媒粉末が適切に分散されずに凝集されている場合があり、カーボンナノチューブの触媒合成収率がやはり低くなる。
[Stage iii)]
Step iii) is a step of obtaining a catalyst powder for the synthesis of carbon nanotubes. The apparent density of the finally obtained catalyst powder is 0.03 to 0.4 g / ml. When the apparent density of the catalyst powder is 0.03 g / ml or less, the catalyst synthesis yield of carbon nanotubes is low because the catalyst content is too low. Further, even when the apparent density of the catalyst powder is 0.4 g / ml or more, the catalyst powder may be aggregated without being properly dispersed, and the catalyst synthesis yield of carbon nanotubes is also lowered.

したがって、カーボンナノチューブ合成用触媒粉末の見掛け密度が0.03〜0.4 g/mlの範囲にあるとき、カーボンナノチューブの触媒合成収率は1,400〜3,000%の範囲にできるようになる。   Therefore, when the apparent density of the catalyst powder for carbon nanotube synthesis is in the range of 0.03 to 0.4 g / ml, the catalyst synthesis yield of carbon nanotubes can be in the range of 1,400 to 3,000%.

次に、図2に示す流動層反応器内で、多層壁カーボンナノチューブは、次のような工程(段階i)〜vi))で熱気相蒸着される。
図4は、本発明の熱気相蒸着法によるカーボンナノチューブの製造工程の一つの実施の形態を示したものである。
Next, in the fluidized bed reactor shown in FIG. 2, the multi-walled carbon nanotubes are deposited by thermal vapor deposition in the following steps (steps i) to vi)).
FIG. 4 shows one embodiment of the manufacturing process of carbon nanotubes by the thermal vapor deposition method of the present invention.

[段階i)]
段階i)は、反応チャンバを600℃まで予備加熱させる段階である。反応チャンバー(210)は、カーボンナノチューブを合成するための反応空間に高い耐熱性材料である石英またはグラファイトなどで製造する。
[Stage i)]
Step i) is a step of preheating the reaction chamber to 600 ° C. The reaction chamber (210) is made of quartz or graphite which is a high heat resistant material in a reaction space for synthesizing carbon nanotubes.

[段階ii)]
段階ii)は、反応チャンバ下部から触媒粉末を供給し、反応チャンバ内に流動化させる段階である。触媒粉末は、触媒供給部(220)から供給されて、分散ホールを介して反応チャンバ内に分散させる。
[Stage ii)]
Stage ii) is a stage in which catalyst powder is supplied from the lower part of the reaction chamber and fluidized in the reaction chamber. The catalyst powder is supplied from the catalyst supply unit (220) and dispersed in the reaction chamber through the dispersion holes.

[段階iii)]
段階iii)は、反応ガスとキャリアガスからなる原料ガスを反応室下部から噴射供給させる段階である。原料ガス供給部(230)から炭素数1〜4の飽和または不飽和炭化水素、一酸化炭素、またはベンゼンなどから選ばれた1種以上の炭素源ガスである反応ガスとヘリウム、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスであるキャリアガスをチャンバ内噴射供給させる。
[Stage iii)]
Step iii) is a step of injecting and supplying a raw material gas comprising a reaction gas and a carrier gas from the lower part of the reaction chamber. Reaction gas which is one or more carbon source gas selected from saturated or unsaturated hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms, carbon monoxide, benzene, etc. from the source gas supply unit (230) and helium, nitrogen or argon A carrier gas which is an inert gas is injected into the chamber.

[段階iv)]
段階iv)は、600〜900℃の反応チャンバ内で回転子の回転による上昇気流に流動化された触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階である。触媒粒子上に炭素数1〜4の飽和または不飽和炭化水素、一酸化炭素、またはベンゼンなど選ばれた1種以上の炭素源ガスから供給された炭素を熱気相蒸着させる。
[Stage iv)]
Stage iv) is a stage in which carbon is deposited by thermal vapor deposition on the catalyst particles fluidized in the rising airflow by the rotation of the rotor in a reaction chamber of 600 to 900 ° C. Carbon supplied from one or more selected carbon source gases such as saturated or unsaturated hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms, carbon monoxide, or benzene is deposited on the catalyst particles by thermal vapor deposition.

[段階v)]
段階v)は、排気ガスを排出する段階である。反応チャンバ内で触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させ、残りの原料ガスまたは触媒の一部などが反応チャンバの上部に位置する排気ガス排出部(260)を介して外部に排出される。
[Stage v)]
Step v) is the step of exhausting the exhaust gas. Carbon is deposited on the catalyst particles in the reaction chamber by thermal vapor deposition, and the remaining raw material gas or a part of the catalyst is discharged to the outside through an exhaust gas discharge unit (260) located at the top of the reaction chamber.

[段階vi)]
段階vi)は、多層壁カーボンナノチューブを選別回収する段階である。本発明の方法に基づいて製造された多層壁カーボンナノチューブは、繊径5〜15nm、バンドル直径0.5〜4μmと見掛け密度0.02〜0.1 g/ccを有する。
[Stage vi)]
Step vi) is a step of selectively collecting the multi-walled carbon nanotubes. Multi-walled carbon nanotubes produced according to the method of the present invention have a fine diameter of 5 to 15 nm, a bundle diameter of 0.5 to 4 μm, and an apparent density of 0.02 to 0.1 g / cc.

以下、本発明に使用される多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物についてさらに詳細に説明する。
カーボンナノチューブを製造する触媒金属としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの金属が知られている。
Hereinafter, the catalyst composition for producing multi-walled carbon nanotubes used in the present invention will be described in more detail.
As catalyst metals for producing carbon nanotubes, metals such as iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) are known.

また、上記金属のほか、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、タングステン(W)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、銅(Cu)などの金属もカーボンナノチューブ製造用触媒活性を有することが知られている。   In addition to the above metals, metals such as chromium (Cr), manganese (Mn), molybdenum (Mo), vanadium (V), tungsten (W), tin (Sn), palladium (Pd), copper (Cu), etc. It is known to have catalytic activity for producing carbon nanotubes.

また、触媒の活性をさらに増進させるために、不活性支持体(Al、Mg、Siなど)に触媒を担持させた担持触媒が開示されている。
さらに、本発明者らは、すでにMoが、触媒活性とAl支持体との相溶性を向上させる最も有用な助触媒であることを、本発明者らの先行発明である米国特許登録第9,186,656号『多層壁カーボンナノチューブ製造用触媒組成物』で開示している。
In addition, a supported catalyst is disclosed in which a catalyst is supported on an inert support (Al, Mg, Si, etc.) in order to further enhance the activity of the catalyst.
In addition, we have already identified that Mo is the most useful cocatalyst that improves catalyst activity and compatibility with the Al support, US Pat. No. 9,186,656, our prior invention. It is disclosed in “Catalyst composition for producing multi-wall carbon nanotubes”.

また、本発明者らは、すでにAlが不活性支持体で同時に主触媒とMoの触媒活性を促進する上で最も有用な支持体であることを本発明者らの先行発明である米国特許登録第8,048,821号及び米国特許登録第8,673,807号で開示している。   In addition, the present inventors have already registered in US patent registration, which is our prior invention, that Al is an inert support and is the most useful support for simultaneously promoting the catalytic activity of the main catalyst and Mo. No. 8,048,821 and US Pat. No. 8,673,807.

したがって、本発明者らは、主触媒として知られているFe、Co、Niのいずれかの触媒金属が助触媒Moと支持体Alと混用時、最も高い触媒活性の相乗効果を示すかどうかを検討したものである。すなわち、本発明の噴霧熱分解触媒の製造工程と流動層反応器内のカーボンナノチューブの連続合成工程によって試験し、最も多層壁カーボンナノチューブ触媒の合成収率が高い触媒組成物を確認したものである。   Therefore, the present inventors have determined whether any of the catalytic metals of Fe, Co, and Ni, which are known as the main catalyst, shows the synergistic effect of the highest catalytic activity when mixed with the promoter Mo and the support Al. It has been studied. That is, it was tested by the production process of the spray pyrolysis catalyst of the present invention and the continuous synthesis process of carbon nanotubes in the fluidized bed reactor, and the catalyst composition with the highest synthesis yield of the multi-walled carbon nanotube catalyst was confirmed. .

本発明によって開発されたカーボンナノチューブ製造用触媒組成物は、下記式で表される金属元素の組成を有する。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sは Fe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.3≦p≦3.0、 0.1≦q≦3.5、 0.05≦r≦1.0、 2.0≦s≦8.5 である。
The catalyst composition for producing carbon nanotubes developed by the present invention has a composition of a metal element represented by the following formula.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, Al,
p + q + r + s = 10
0.3 ≦ p ≦ 3.0, 0.1 ≦ q ≦ 3.5, 0.05 ≦ r ≦ 1.0, 2.0 ≦ s ≦ 8.5.

また、上記カーボンナノチューブ製造用触媒は、下記で表示する金属元素の組成を有する。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sは Fe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.5≦p≦2.5、 0.2≦q≦3.0、 0.1≦r≦0.8、 2.5≦s≦7.5 である。
Moreover, the said catalyst for carbon nanotube manufacture has a composition of the metal element shown below.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, Al,
p + q + r + s = 10
0.5 ≦ p ≦ 2.5, 0.2 ≦ q ≦ 3.0, 0.1 ≦ r ≦ 0.8, 2.5 ≦ s ≦ 7.5.

本発明によって製造された多層壁カーボンナノチューブは、優れた機械的特性、電気的選択性、優れた電界放出特性、高効率の水素貯蔵媒体の特性を持つ。
また、本発明の多層壁カーボンナノチューブとプラスチック高分子樹脂をナノ複合化させたカーボンナノチューブの樹脂複合材は、高い電気伝導度、熱伝導度、帯電防止、電磁波遮蔽、および引張強度を示す。
The multi-walled carbon nanotubes produced by the present invention have excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission properties, and high efficiency hydrogen storage medium properties.
Moreover, the carbon nanotube resin composite material in which the multi-walled carbon nanotube and the plastic polymer resin of the present invention are nanocomposited exhibits high electric conductivity, thermal conductivity, antistatic property, electromagnetic wave shielding, and tensile strength.

また、本発明の方法に基づいて製造された多層壁カーボンナノチューブは、繊径5〜15nm、バンドル直径0.5〜4μmと見掛け密度0.02〜0.1 g/ccを有する。
また、本発明の多層壁カーボンナノチューブは、今後、航空宇宙、バイオテクノロジー、環境エネルギー、材料産業、医薬医療、電子コンピュータなどの幅広い技術分野にその適用が可能であると判断される。
In addition, the multi-walled carbon nanotube produced based on the method of the present invention has a fine diameter of 5 to 15 nm, a bundle diameter of 0.5 to 4 μm, and an apparent density of 0.02 to 0.1 g / cc.
Further, it is judged that the multi-walled carbon nanotube of the present invention can be applied to a wide range of technical fields such as aerospace, biotechnology, environmental energy, material industry, pharmaceutical medicine, and electronic computer in the future.

[実施例]
以下、本発明を製造実施例、製造比較例、実施例により詳細に説明する。
(製造実施例1) 本発明のカーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造
触媒1 (Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5)
脱イオン水1Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入し、室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解された触媒の混合溶液を製造した。 製造された触媒の混合溶液を毎時0.3Lずつ空気を輸送ガスにして噴霧熱分解装置の反応器内で噴霧して熱分解した。このとき噴霧熱分解条件は、空気の圧力は3気圧、反応器内の温度は750℃であり、120分の間、連続的に運転して総57gの触媒組成物を回収した。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.28g/mLであった。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to production examples, production comparison examples, and examples.
(Production Example 1) Production of catalyst composition for carbon nanotube synthesis of the present invention
Catalyst 1 (Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5)
2.0 mol Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O in 1 L of deionized water 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O was added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a mixed catalyst solution in which all metal salts were completely dissolved. The prepared catalyst mixed solution was thermally decomposed by spraying 0.3 L / hour in the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas. At this time, the spray pyrolysis conditions were as follows: the pressure of air was 3 atm, the temperature in the reactor was 750 ° C., and continuous operation was performed for 120 minutes to recover a total of 57 g of the catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.28 g / mL.

(製造実施例2) 本発明のカーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造
触媒2 (Fe/Co/Mo/Al=2.0/2.0/0.5/5.5)
脱イオン水1Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入し、室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解された触媒の混合溶液を製造した。製造された触媒の混合溶液を毎時0.3Lずつ空気を輸送ガスにして噴霧熱分解装置の反応器内で噴霧して熱分解した。このとき噴霧熱分解条件は、空気の圧力は3気圧、反応器内の温度は850℃であり、120分の間、連続的に運転して総53gの触媒組成物を回収した。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al=2.0/2.0/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.25g/mLであった。
(Production Example 2) Production of carbon nanotube synthesis catalyst composition of the present invention
Catalyst 2 (Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5)
2.0 mol Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O in 1 L of deionized water 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O was added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a mixed catalyst solution in which all metal salts were completely dissolved. The prepared catalyst mixed solution was thermally decomposed by spraying 0.3 L / hour in the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas. At this time, the spray pyrolysis conditions were that the pressure of air was 3 atm and the temperature in the reactor was 850 ° C., and continuously operated for 120 minutes to recover a total of 53 g of the catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.25 g / mL.

(製造比較例1) カーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造(モル比の違い)
触媒C-1 (Fe/Co/Mo/Al=0.1/3.9/0.5/5.5)
脱イオン水1Lに0.1モルのFe(NO33・9H2O、3.9モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入し、室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解された触媒の混合溶液を製造した。製造された触媒の混合溶液を毎時0.3Lずつ空気を輸送ガスにして噴霧熱分解装置の反応器内で噴霧して熱分解した。このとき噴霧熱分解条件は、空気の圧力は3気圧、反応器内の温度は750℃であり、120分の間、連続的に運転して総52gの触媒組成物を回収した。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al=0.1/3.9/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.38g/mLであった。
(Production Comparative Example 1) Production of catalyst composition for carbon nanotube synthesis (difference in molar ratio)
Catalyst C-1 (Fe / Co / Mo / Al = 0.1 / 3.9 / 0.5 / 5.5)
In 1 L of deionized water, 0.1 mol of Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 3.9 mol of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol of (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O was added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a mixed catalyst solution in which all metal salts were completely dissolved. The prepared catalyst mixed solution was thermally decomposed by spraying 0.3 L / hour in the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas. At this time, the spray pyrolysis conditions were such that the air pressure was 3 atm and the temperature in the reactor was 750 ° C., and the operation was continuously performed for 120 minutes to recover a total of 52 g of the catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 0.1 / 3.9 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.38 g / mL.

(製造比較例2) カーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造(熱分解温度の差)
触媒C-2 (Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5)
脱イオン水1Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入し、室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解された触媒の混合溶液を製造した。製造された触媒の混合溶液を毎時0.3Lずつ空気を輸送ガスにして噴霧熱分解装置の反応器内で噴霧して熱分解した。このとき噴霧熱分解条件は、空気の圧力は3気圧、反応器内の温度は400℃であり、120分の間、連続的に運転して総66gの触媒組成物を回収した。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.41g/mLであった。
(Production Comparative Example 2) Production of carbon nanotube synthesis catalyst composition (difference in thermal decomposition temperature)
Catalyst C-2 (Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5)
2.0 mol Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O in 1 L of deionized water 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O was added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a mixed catalyst solution in which all metal salts were completely dissolved. The prepared catalyst mixed solution was thermally decomposed by spraying 0.3 L / hour in the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas. At this time, spray pyrolysis conditions were that the pressure of air was 3 atm and the temperature in the reactor was 400 ° C., and the operation was continuously performed for 120 minutes to recover a total of 66 g of the catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.41 g / mL.

(製造比較例3) カーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造(共沈法)
触媒C-3 (Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5)
脱イオン水0.5Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入して室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解した溶液Aを準備した。脱イオン水1Lに4モルのNH4・HCO3を投入し、2時間攪拌して完全に溶解された溶液Bを準備した。両方の溶液AおよびBを室温で合わせ、60分間攪拌した。以後得られた固体を濾過して脱イオン水で洗浄して回収した。回収されたフィルタケーキを空気中、120℃で12時間乾燥させた。乾燥されたフィルタケーキを粉砕した後、空気中600℃で4時間焼成した。焼成された粉末をもう一度粉砕して81gの触媒組成物を得た。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.78g/mLであった。
(Production Comparative Example 3) Production of catalyst composition for carbon nanotube synthesis (coprecipitation method)
Catalyst C-3 (Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5)
2.0 mol Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O in 0.5 L of deionized water And 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O were added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a solution A in which all metal salts were completely dissolved. 4 mol of NH 4 .HCO 3 was added to 1 L of deionized water and stirred for 2 hours to prepare a completely dissolved solution B. Both solutions A and B were combined at room temperature and stirred for 60 minutes. Thereafter, the obtained solid was filtered, washed with deionized water and recovered. The recovered filter cake was dried in air at 120 ° C. for 12 hours. The dried filter cake was pulverized and then calcined in air at 600 ° C. for 4 hours. The calcined powder was ground again to obtain 81 g of a catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.78 g / mL.

(製造比較例4) カーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造(噴霧乾燥法)
触媒C-4 (Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5)
脱イオン水0.5Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2O、0.5モルの(NH46Mo7O24・4H2Oと5.5モルのAl(NO33・9H2Oを投入して室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解した溶液Aを準備した。脱イオン水1Lに4モルのNH4・HCO3を投入し、2時間攪拌して完全に溶解された溶液Bを準備した。両方の溶液AおよびBを室温で合わせ、60分間攪拌した。以後得られた固体を濾過して脱イオン水で洗浄して回収した。回収されたフィルタケーキ(filter cake)を1Lの脱イオン水に入れて再度攪拌して触媒混合溶液を調製し噴霧乾燥機を用いて230℃で乾燥された粉末を回収した。乾燥された粉末は、空気中、600℃で4時間焼成して95gの触媒組成物を得た。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Mo/Al = 2.0/2.0/0.5/5.5であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.92g/mLであった。
(Production Comparative Example 4) Production of catalyst composition for carbon nanotube synthesis (spray drying method)
Catalyst C-4 (Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5)
2.0 mol Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 0.5 mol (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O in 0.5 L of deionized water And 5.5 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O were added and stirred at room temperature for 2 hours to prepare a solution A in which all metal salts were completely dissolved. 4 mol of NH 4 .HCO 3 was added to 1 L of deionized water and stirred for 2 hours to prepare a completely dissolved solution B. Both solutions A and B were combined at room temperature and stirred for 60 minutes. Thereafter, the obtained solid was filtered, washed with deionized water and recovered. The recovered filter cake was put into 1 L of deionized water and stirred again to prepare a catalyst mixed solution, and the powder dried at 230 ° C. was recovered using a spray dryer. The dried powder was calcined in air at 600 ° C. for 4 hours to obtain 95 g of a catalyst composition. The molar ratio of the metals used in the production of the catalyst was Fe / Co / Mo / Al = 2.0 / 2.0 / 0.5 / 5.5, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.92 g / mL.

(製造比較例5) カーボンナノチューブ合成用触媒組成物の製造(Moなし)
触媒C-5 (Fe/Co/Al = 2.0/2.0/6.0)
脱イオン水1Lに2.0モルのFe(NO33・9H2O、2.0モルのCo(NO32・6H2Oと6.0モルのAl(NO33・9H2Oを投入し、室温で2時間攪拌して、すべての金属塩が完全に溶解された触媒の混合溶液を製造した。製造された触媒の混合溶液を毎時0.3Lずつ空気を輸送ガスにして噴霧熱分解装置の反応器内で噴霧して熱分解した。このとき噴霧熱分解条件は、空気の圧力は3気圧、反応器内の温度は、750℃であり、120分の間、連続的に運転して総67gの触媒組成物を回収した。触媒の製造に使用された金属のモル比は、Fe/Co/Al = 2.0/2.0/6.0であり、製造された触媒組成物の見掛け密度は、0.40g/mLであった。
(Production Comparative Example 5) Production of catalyst composition for carbon nanotube synthesis (without Mo)
Catalyst C-5 (Fe / Co / Al = 2.0 / 2.0 / 6.0)
In 1 L of deionized water, 2.0 mol of Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, 2.0 mol of Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and 6.0 mol of Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O were charged. The mixture was stirred at room temperature for 2 hours to prepare a mixed catalyst solution in which all metal salts were completely dissolved. The prepared catalyst mixed solution was thermally decomposed by spraying 0.3 L / hour in the reactor of the spray pyrolysis apparatus using air as a transport gas. At this time, the spray pyrolysis conditions were as follows: the pressure of air was 3 atm, the temperature in the reactor was 750 ° C., and continuous operation was performed for 120 minutes to recover a total of 67 g of the catalyst composition. The molar ratio of the metals used for the production of the catalyst was Fe / Co / Al = 2.0 / 2.0 / 6.0, and the apparent density of the produced catalyst composition was 0.40 g / mL.

(実施例1) カーボンナノチューブの合成
製造実施例1、2で製造された触媒(触媒1、触媒2)と製造比較例1〜5で製造された触媒(触媒C-1、C-2、C-3、C-4、C-5)を使用して、本発明図2に示された流動層カーボンナノチューブの合成反応器で、前記触媒粉末を分散供給し、原料ガスを噴射供給させて600〜900℃で触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させて、多層壁カーボンナノチューブを製造した。このとき使用された原料ガスは、炭素源ガスとしてエチレンを使用し、キャリアガスとして窒素ガスを3:1の体積比で混合して使用した。表1に、触媒合成収率(%)と製造された多層壁カーボンナノチューブの見掛け密度を示した。
(Example 1) Synthesis of carbon nanotubes Catalysts produced in Production Examples 1 and 2 (Catalyst 1 and Catalyst 2) and catalysts produced in Production Comparative Examples 1 to 5 (Catalysts C-1, C-2 and C) -3, C-4, and C-5), the catalyst powder is dispersedly supplied in the fluidized bed carbon nanotube synthesis reactor shown in FIG. Multiwall carbon nanotubes were produced by thermal vapor deposition of carbon on catalyst particles at ˜900 ° C. The raw material gas used at this time was ethylene as a carbon source gas and nitrogen gas was mixed as a carrier gas at a volume ratio of 3: 1. Table 1 shows the catalyst synthesis yield (%) and the apparent density of the produced multi-walled carbon nanotubes.

触媒の合成収率とカーボンナノチューブの合成量は、下記式に基づき計算した。
触媒の合成収率(%)=カーボンナノチューブの合成量/触媒の投入量×100
カーボンナノチューブの合成量=反応生成物の総重量(Mtotal)-触媒の重量(Mcat
The synthesis yield of the catalyst and the synthesis amount of the carbon nanotube were calculated based on the following formula.
Catalyst synthesis yield (%) = Carbon nanotube synthesis / Catalyst input x 100
Synthesis amount of carbon nanotube = total weight of reaction product (M total ) -weight of catalyst (M cat )

Figure 0006357215
Figure 0006357215

本発明の触媒組成物[Fep、Coq、Mor、Als]を使用して、本発明の連続的製造工程によって製造された多層壁カーボンナノチューブの触媒合成収率は触媒1の場合2,420%、触媒2の場合2,740%を示した。しかし、本発明の触媒組成とは異なる触媒C-1(触媒組成モル分率の差)、触媒C-5(Moを含まない)の場合、それぞれ1,650%、680%の触媒合成収率を示した。また、本発明の噴霧熱分解法による触媒製造時の低熱分解温度で製造された触媒C-2の場合、1,390%の低い触媒合成収率を示した。一方、共沈法によって製造された触媒C-3と噴霧乾燥法によって製造された触媒C-4の場合、それぞれ触媒の合成収率が920%、1,140%低い触媒合成収率を示した。また、Moがなした触媒C-5は、触媒の合成収率が680%で最も低い触媒の合成収率を示した。 The catalyst composition of the present invention [Fe p, Co q, Mo r, Al s] using the catalyst synthesis the yield of multiwall carbon nanotubes manufactured by a continuous manufacturing process of the present invention in the case of catalyst 1 2,420 %, And in the case of catalyst 2, 2,740%. However, catalysts C-1 (difference in catalyst composition molar fraction) and catalyst C-5 (without Mo), which are different from the catalyst composition of the present invention, show catalyst synthesis yields of 1,650% and 680%, respectively. It was. Further, the catalyst C-2 produced at a low pyrolysis temperature during the production of the catalyst by the spray pyrolysis method of the present invention showed a low catalyst synthesis yield of 1,390%. On the other hand, in the case of catalyst C-3 produced by the coprecipitation method and catalyst C-4 produced by the spray drying method, the catalyst synthesis yields were 920% and 1,140% lower, respectively. The catalyst C-5 made by Mo showed the lowest catalyst synthesis yield of 680%.

したがって、本発明の触媒組成物[Fep、Coq、Mor、Als]を使用して、本発明の連続的製造工程によって製造された多層壁カーボンナノチューブの触媒合成収率は1,400〜3,000%で測定した。 Accordingly, the catalyst composition of the present invention [Fe p, Co q, Mo r, Al s] using the catalyst synthesis the yield of multiwall carbon nanotubes manufactured by a continuous manufacturing process of the present invention 1,400~3,000 %.

100:触媒生成部
110:反応器
120:加熱部
130:ノズル
140:溶液供給部
150:ガス供給部
160:外気ガス供給管
170:外気ディスペンサー
200:流動層カーボンナノチューブの合成装置
210:反応チャンバ
220:触媒供給部
222:触媒
224:触媒供給管
230:原料ガス供給部
232:原料ガス
234:原料ガス供給管
240:回転子
242:回転ボディ
250:加熱部
260:排気ガス排出部
100: Catalyst generator
110: Reactor
120: Heating part
130: Nozzle
140: Solution supply unit
150: Gas supply unit
160: Outside air gas supply pipe
170: Outside air dispenser
200: Fluidized bed carbon nanotube synthesizer
210: Reaction chamber
220: Catalyst supply section
222: Catalyst
224: Catalyst supply pipe
230: Source gas supply unit
232: Raw material gas
234: Source gas supply pipe
240: Rotor
242: Rotating body
250: Heating part
260: Exhaust gas exhaust

Claims (10)

1)カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(構成金属元素としてFe、CoおよびMoを含む)と支持体前駆体(構成金属元素としてAlを含む)を水に溶解させた後、噴霧熱分解法でカーボンナノチューブ製造用触媒粉末を得ている段階;
2)流動層反応器に触媒粉末を供給流動化させ、原料ガスを噴射供給させて、600〜900℃で触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階;と
3)熱蒸着されたカーボンナノチューブを回収選別して、多層壁カーボンナノチューブを得ている段階;からなり、
前記1)乃至3)の段階が、単一の連続工程で接続した、多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程における、上記カーボンナノチューブ製造用触媒は、主触媒(構成金属元素がFeおよびCo)、助触媒(構成金属元素がMo)と支持体(構成金属元素がAl)からなる触媒組成物であり、
触媒のカーボンナノチューブの合成収率は1,400〜3,000%であることを特徴とする
多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。
触媒の合成収率(%) = カーボンナノチューブの合成量/触媒の投入量 × 100
1) After dissolving catalyst metal precursor for carbon nanotube production (containing Fe, Co and Mo as constituent metal elements) and support precursor (containing Al as constituent metal elements) in water, spray pyrolysis method Obtaining a catalyst powder for producing carbon nanotubes;
2) supplying and fluidizing the catalyst powder to the fluidized bed reactor, injecting and supplying the raw material gas, and performing thermal vapor deposition of carbon on the catalyst particles at 600 to 900 ° C .;
It made; 3) to recover selected heat deposited carbon nanotubes, the stage of obtaining a multi-walled carbon nanotubes
In the multi-wall carbon nanotube continuous production process in which the steps 1) to 3) are connected in a single continuous process, the carbon nanotube production catalyst is composed of a main catalyst (the constituent metal elements are Fe and Co), an assistant. A catalyst composition comprising a catalyst (the constituent metal element is Mo) and a support (the constituent metal element is Al);
The multi-wall carbon nanotube continuous manufacturing process, characterized in that the synthesis yield of catalyst carbon nanotubes is 1,400-3,000%.
Catalyst synthesis yield (%) = Carbon nanotube synthesis / catalyst input x 100
前記段階 1)は、
i)カーボンナノチューブ製造用触媒金属前駆体(構成金属元素としてFe、CoおよびMoを含む)およびカーボンナノチューブ製造用支持体前駆体(構成金属元素としてAlを含む)を水に溶解させ、触媒溶液を製造し、2〜5気圧の空気を噴霧ガスとして供給して、外部の空気を流入させて、触媒溶液をノズルから噴霧する段階;
ii)600〜1,200℃の反応器内部に噴霧された触媒溶液を高温熱分解させる段階;と
iii)カーボンナノチューブの合成のための触媒粉末を得ている段階;
で行われて得られた触媒粉末の見掛け密度は0.03〜0.4g/mlであることを特徴とする請求項1に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。
Said step 1)
i) A catalyst metal precursor for carbon nanotube production (containing Fe, Co and Mo as constituent metal elements) and a support precursor for carbon nanotube production (containing Al as constituent metal elements) are dissolved in water, and a catalyst solution is prepared. Producing and supplying 2-5 atmospheres of air as a spray gas, allowing external air to flow in and spraying the catalyst solution from the nozzle;
ii) high-temperature pyrolysis of the catalyst solution sprayed inside the reactor at 600 to 1,200 ° C .; and
iii) obtaining a catalyst powder for the synthesis of carbon nanotubes;
2. The process for continuously producing a multi-walled carbon nanotube according to claim 1, wherein the apparent density of the catalyst powder obtained by the step is 0.03 to 0.4 g / ml.
前記触媒金属前駆体と支持体前駆体は、金属の硝酸塩、硫酸塩、アルコキシド、塩酸塩または炭酸塩で選択された1種以上の形態であることを特徴とする請求項2に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。   The multilayer wall according to claim 2, wherein the catalytic metal precursor and the support precursor are in one or more forms selected from metal nitrate, sulfate, alkoxide, hydrochloride or carbonate. Carbon nanotube continuous manufacturing process. 前記噴霧ガス圧力は、2.5〜4.0気圧であり、高温熱分解温度は600〜1000℃であることを特徴とする請求項2に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。   The multi-walled carbon nanotube continuous manufacturing process according to claim 2, wherein the spray gas pressure is 2.5 to 4.0 atm, and the high temperature pyrolysis temperature is 600 to 1000 ° C. 上記の段階 2)は、
i)反応チャンバを予備加熱させる段階;
ii)反応チャンバ下部から触媒粉末を供給し、反応チャンバ内に流動化させる段階;
iii)反応ガスとキャリアガスからなる原料ガスを反応室下部から噴射供給させる段階;
iv)600〜900℃の反応チャンバ内で回転子の回転による上昇気流に流動化された触媒粒子上に炭素を熱気相蒸着させる段階;と
v)排気ガスを排出する段階;
からなることを特徴とする請求項1に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。
Stage 2) above is
i) preheating the reaction chamber;
ii) supplying catalyst powder from the lower part of the reaction chamber and fluidizing it in the reaction chamber;
iii) a step of injecting and supplying a source gas comprising a reaction gas and a carrier gas from the lower part of the reaction chamber;
iv) thermal vapor deposition of carbon on the catalyst particles fluidized in the updraft by rotation of the rotor in a reaction chamber at 600-900 ° C;
v) exhausting the exhaust gas ;
2. The multi-walled carbon nanotube continuous production process according to claim 1, comprising:
前記反応ガスは、炭素数1〜4の飽和または不飽和炭化水素、一酸化炭素、またはベンゼンから選ばれた1種以上の炭素源ガスであり、キャリアガスはヘリウム、窒素またはアルゴンから選ばれる1種以上の不活性ガスであることを特徴とする請求項5に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。   The reaction gas is at least one carbon source gas selected from saturated or unsaturated hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms, carbon monoxide, or benzene, and the carrier gas is selected from helium, nitrogen, or argon. The multi-wall carbon nanotube continuous manufacturing process according to claim 5, wherein the multi-walled carbon nanotube is a kind or more of an inert gas. 前記カーボンナノチューブ製造用触媒は、下記式で表示する金属元素の組成を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sはFe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.3≦p≦3.0、 0.1≦q≦3.5、 0.05≦r≦1.0、 2.0≦s≦8.5 である。
The multi-walled carbon nanotube continuous production process according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon nanotube production catalyst has a composition of a metal element represented by the following formula.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, and s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, and Al,
p + q + r + s = 10
0.3 ≦ p ≦ 3.0, 0.1 ≦ q ≦ 3.5, 0.05 ≦ r ≦ 1.0, 2.0 ≦ s ≦ 8.5.
前記カーボンナノチューブ製造用触媒は、下記式で表示する金属元素の組成を有することを特徴とする請求項7に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。
Fep、Coq、Mor、Als
上記式で
p、q、r、sはFe、Co、Mo、Alのモル分率を表し、
p + q+ r + s=10
0.5≦p≦2.5、 0.2≦q≦3.0、 0.1≦r≦0.8、 2.5≦s≦7.5 である。
The multi-walled carbon nanotube continuous production process according to claim 7, wherein the catalyst for producing carbon nanotubes has a composition of a metal element represented by the following formula.
Fe p, Co q, Mo r , Al s
In the above formula
p, q, r, and s represent the mole fraction of Fe, Co, Mo, and Al,
p + q + r + s = 10
0.5 ≦ p ≦ 2.5, 0.2 ≦ q ≦ 3.0, 0.1 ≦ r ≦ 0.8, 2.5 ≦ s ≦ 7.5.
製造した多層壁カーボンナノチューブの繊径5〜15nm、バンドル直径0.5〜4μmで、見掛け密度0.02〜0.1 g/ccである請求項1〜8のいずれか1項に記載の多層壁カーボンナノチューブ連続的製造工程。 The multi-wall carbon nanotube continuous production according to any one of claims 1 to 8, wherein the produced multi-wall carbon nanotube has a fine diameter of 5 to 15 nm, a bundle diameter of 0.5 to 4 µm, and an apparent density of 0.02 to 0.1 g / cc. Process. 請求項9に記載の工程で多層壁カーボンナノチューブを製造したのち、プラスチック高分子樹脂をナノ複合化させることを特徴とする、電気伝導度、熱伝導度、帯電防止、電磁波遮蔽、および引張強度が増加したカーボンナノチューブの樹脂複合材の製造方法。
The multi-walled carbon nanotube is manufactured by the process according to claim 9, and then the plastic polymer resin is nanocomposited. The electrical conductivity, thermal conductivity, antistatic property, electromagnetic wave shielding, and tensile strength are A method for producing an increased carbon nanotube resin composite.
JP2016228866A 2016-10-17 2016-11-25 Continuous production process and catalyst for carbon nanotube production for mass production of multi-wall carbon nanotubes Active JP6357215B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2016-0134182 2016-10-17
KR1020160134182A KR101876293B1 (en) 2016-10-17 2016-10-17 Continuous process for mass production of multi walled carbon nanotube and the catalyst for preparing the carbon nanotube

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018065122A JP2018065122A (en) 2018-04-26
JP6357215B2 true JP6357215B2 (en) 2018-07-11

Family

ID=61954587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016228866A Active JP6357215B2 (en) 2016-10-17 2016-11-25 Continuous production process and catalyst for carbon nanotube production for mass production of multi-wall carbon nanotubes

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP6357215B2 (en)
KR (1) KR101876293B1 (en)
CN (1) CN107954413A (en)
WO (1) WO2018074652A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108467024B (en) * 2018-05-30 2021-05-11 合肥百思新材料研究院有限公司 Fluidized bed for batch preparation of carbon nanotubes based on chemical vapor deposition method
KR102422089B1 (en) * 2019-02-28 2022-07-18 주식회사 엘지화학 Fluidized Bed Reactor
JP7255281B2 (en) * 2019-03-26 2023-04-11 日本ゼオン株式会社 Method for producing catalyst carrier and method for producing fibrous carbon nanostructure
KR102307637B1 (en) * 2019-06-11 2021-09-30 전남대학교산학협력단 Manufacturing method of catalyst for synthesis of carbon nanotube bundle and manufacturing method of carbon nanotube bundle using the same
KR102205420B1 (en) * 2019-07-31 2021-01-20 극동대학교 산학협력단 Synthetic method of multi-walled carbon nanotube-polymer composites

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005146406A (en) * 2003-10-23 2005-06-09 Zenhachi Okumi Method and device for producing fine particle
WO2008054349A2 (en) * 2005-07-07 2008-05-08 The University Of Maryland Carbon nanotube structures formed on large free floating substrates
JP2009148758A (en) * 2007-12-24 2009-07-09 Em-Power Co Ltd Apparatus and method for manufacturing catalyst for carbon nanotube by using spray pyrolysis method
KR100977147B1 (en) * 2007-12-31 2010-08-23 세메스 주식회사 Fluidizing bed apparatus for producting carbon nano tube and facility and method producting carbon nano tube
WO2009110885A1 (en) * 2008-03-03 2009-09-11 Performance Polymer Solutions, Inc. Continuous process for the production of carbon nanotube reinforced continuous fiber preforms and composites made therefrom
JP5473306B2 (en) * 2008-12-03 2014-04-16 関西電力株式会社 Catalyst for producing carbon nanotube, method for producing carbon nanotube using the same, and method for producing the catalyst
KR101241034B1 (en) * 2010-08-10 2013-03-11 금호석유화학 주식회사 Process for preparing catalyst composition for the synthesis of carbon nanotube with high yields using the spray pyrolysis method
JP2014014768A (en) * 2012-07-09 2014-01-30 Kansai Electric Power Co Inc:The A production method of a catalyst for producing a carbon nano-tube
KR101303061B1 (en) * 2012-09-25 2013-09-03 금호석유화학 주식회사 A catalyst composition for the synthesis of multi-walled carbon nanotubes

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018065122A (en) 2018-04-26
KR20180041878A (en) 2018-04-25
KR101876293B1 (en) 2018-07-09
WO2018074652A1 (en) 2018-04-26
CN107954413A (en) 2018-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6357215B2 (en) Continuous production process and catalyst for carbon nanotube production for mass production of multi-wall carbon nanotubes
KR101241034B1 (en) Process for preparing catalyst composition for the synthesis of carbon nanotube with high yields using the spray pyrolysis method
WO2018205787A1 (en) Fischer-tropsch synthesis catalyst containing nitride support, preparation method therefor and use thereof
KR101303061B1 (en) A catalyst composition for the synthesis of multi-walled carbon nanotubes
JP5250535B2 (en) Catalyst composition for producing thin multi-walled carbon nanotubes
JP6872627B2 (en) Manufacturing method of multi-walled carbon nanotubes using continuous process
US9409779B2 (en) Catalyst for producing carbon nanotubes by means of the decomposition of gaseous carbon compounds on a heterogeneous catalyst
KR100969860B1 (en) Catalyst compositions for preparing carbon nanotube
JP5475457B2 (en) Mass aerosol powder injection device for carbon nanotube synthesis
KR20140110100A (en) Method for the production of carbon nanotubes in a fluidized bed
CN105451883A (en) Method for producing an efficient catalyst for generating multi-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes and carbon nanotube powder
US20140072505A1 (en) Layered multiphase catalyst supports and carbon nanotubes produced thereon
KR101018660B1 (en) A catalyst composition for the synthesis of multi-walled carbon nanotubes
JP4064759B2 (en) Carbon nanofiber manufacturing apparatus and method
CN109205592A (en) The method of carbon nanotube is manufactured in a fluidized bed reactor
JP4064758B2 (en) Method and apparatus for producing carbon nanofiber
KR20070110739A (en) Method of manufacturing catalyst for synthesis of carbon nanotubes and apparatus for manufacturing the same
JP3771881B2 (en) Method and apparatus for producing carbon nanofiber
US10759663B2 (en) Multi-metal catalyst composition for production of morphology controlled CNT's and process thereof
WO2003037792A1 (en) Large-scale synthesis of single-walled carbon nanotubes by group viiib catalysts promoted by group vib metals
KR20140007195A (en) Continuous carbon nano-tube manufacturing apparatus and method with metalic membrane
US11826732B2 (en) Catalyst for MWCNT production
JP2024510823A (en) Method for producing catalyst for producing carbon nanotubes

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180322

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180605

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180615

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6357215

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250