RU2427423C1 - Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase - Google Patents

Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase Download PDF

Info

Publication number
RU2427423C1
RU2427423C1 RU2010101610/04A RU2010101610A RU2427423C1 RU 2427423 C1 RU2427423 C1 RU 2427423C1 RU 2010101610/04 A RU2010101610/04 A RU 2010101610/04A RU 2010101610 A RU2010101610 A RU 2010101610A RU 2427423 C1 RU2427423 C1 RU 2427423C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
catalyst
carbon nanotubes
bundles
iron
cobalt
Prior art date
Application number
RU2010101610/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Григорьевич Ткачев (RU)
Алексей Григорьевич Ткачев
Александр Васильевич Мележик (RU)
Александр Васильевич Мележик
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр"
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 Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НаноТехЦентр"
Priority to RU2010101610/04A priority Critical patent/RU2427423C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2427423C1 publication Critical patent/RU2427423C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry. ^ SUBSTANCE: invention relates to chemical catalysts for producing carbon nanotubes via catalytic pyrolysis of hydrocarbons. Described is a metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase, containing iron, cobalt and aluminium oxides, molybdenum oxide in atomic ratio of molybdenum to iron, cobalt and aluminium from 1:10 to 1:50, wherein the atomic ratio of iron to cobalt ranges from 3:1 to 1:3. ^ EFFECT: catalyst enables to obtain bundles of carbon nanotubes with high output. ^ 3 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к химической технологии получения катализаторов для производства углеродных нанотрубок (УНТ) методом каталитического пиролиза углеводородов.The invention relates to chemical technology for producing catalysts for the production of carbon nanotubes (CNTs) by the method of catalytic pyrolysis of hydrocarbons.

Далее в описании используются следующие термины, которые, хотя и являются общепринятыми для специалистов в данной области техники, однако, требуют уточнения в контексте заявляемого изобретения.Further in the description, the following terms are used, which, although they are generally accepted by specialists in this field of technology, however, require clarification in the context of the claimed invention.

Термин «катализатор, содержащий оксиды… (указанных металлов)» означает, что катализатор может содержать оксиды этих металлов как в виде одной кристаллической или аморфной фазы, так и в виде нескольких фаз, а также в виде кластеров, не образующих фазу. Например, катализатор может содержать фазы оксида алюминия, оксида железа, феррита кобальта; или же фазы оксида алюминия, молибдата железа, алюминий-кобальтовой шпинели; или же другие комбинации фаз. Некоторые элементы, например молибден, при малом содержании в катализаторе, могут находиться в виде металлоксидных кластеров, сосредоточенных на границах раздела фаз или же на поверхности частиц катализатора. При этом заявляемые пределы содержания элементов соответствуют суммарному составу катализатора безотносительно к его структуре и фазовому составу. Однако с той или иной целью может быть приготовлена механическая смесь частиц заявляемого катализатора с какими-то другими компонентами, например порошками или волокнами различной природы. Это может быть сделано для регулирования тех или иных технологических параметров катализатора или выращиваемых на нем углеродных нанотрубок. Также заявляемый катализатор может быть нанесен на поверхность тех или иных инертных носителей (пластин, порошков, микросфер, макропористых носителей, волокон и других) путем пропитки их раствором веществ-предкатализаторов с последующей термической обработкой. Во всех этих и подобных случаях приготовление указанных композиций, если оно осуществляется известными в технике методами, означает использование заявляемого изобретения, если состав частиц катализатора, используемых для приготовления их механической смеси с другими компонентами, или состав поверхностного металлоксидного слоя, нанесенного на поверхность носителя, или же состав раствора веществ-предкатализаторов попадает в интервал составов, заявляемых в настоящем изобретении.The term “catalyst containing oxides ... (of said metals)” means that the catalyst may contain oxides of these metals both in the form of a single crystalline or amorphous phase, and in the form of several phases, as well as in the form of clusters that do not form a phase. For example, the catalyst may comprise phases of alumina, iron oxide, cobalt ferrite; or the phases of aluminum oxide, iron molybdate, aluminum-cobalt spinel; or other combinations of phases. Some elements, such as molybdenum, with a low content in the catalyst, can be in the form of metal oxide clusters concentrated at the phase boundaries or on the surface of the catalyst particles. Moreover, the claimed limits of the content of elements correspond to the total composition of the catalyst, regardless of its structure and phase composition. However, for one purpose or another, a mechanical mixture of the particles of the inventive catalyst with some other components, for example, powders or fibers of various nature, can be prepared. This can be done to regulate certain technological parameters of the catalyst or carbon nanotubes grown on it. Also, the inventive catalyst can be deposited on the surface of various inert carriers (plates, powders, microspheres, macroporous carriers, fibers, and others) by impregnating them with a solution of precatalyst substances with subsequent heat treatment. In all these and similar cases, the preparation of these compositions, if carried out by methods known in the art, means using the claimed invention if the composition of the catalyst particles used to prepare their mechanical mixture with other components, or the composition of the surface metal oxide layer deposited on the surface of the carrier, or the composition of the solution of precatalysts falls within the range of compositions claimed in the present invention.

Следует также учитывать, что хотя исходные катализаторы, обычно применяемые для выращивания углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза углеводородов, обычно представляют собой смесь оксидов металлов, реально каталитически активными частицами, на которых растут углеродные нанотрубки, являются восстановленные формы этих катализаторов, содержащие частицы переходных металлов. Поэтому, учитывая взаимопревращения переходных металлов и их оксидов в зависимости от окислительно-восстановительных свойств газовой среды и температуры, иногда состав катализаторов условно обозначают как, например, Al/Mo/Al2O3, Ni-Y/Mo, Mo/MgO, Ni/Mo/MgO, и тому подобное, при этом подразумевая, что в исходном катализаторе переходные металлы находятся в форме оксидов, а в восстановительной атмосфере реактора синтеза углеродных нанотрубок оксиды переходных металлов восстанавливаются до металлов.It should also be borne in mind that although the initial catalysts, usually used for growing carbon nanotubes by the method of catalytic pyrolysis of hydrocarbons, are usually a mixture of metal oxides, the real catalytically active particles on which carbon nanotubes grow are reduced forms of these catalysts containing transition metal particles. Therefore, taking into account the interconversions of transition metals and their oxides depending on the redox properties of the gas medium and temperature, sometimes the composition of the catalysts is arbitrarily designated as, for example, Al / Mo / Al 2 O 3 , Ni-Y / Mo, Mo / MgO, Ni / Mo / MgO, and the like, while implying that in the initial catalyst the transition metals are in the form of oxides, and in the reducing atmosphere of the carbon nanotube synthesis reactor, the transition metal oxides are reduced to metals.

Известно, что одностенные УНТ, как правило, образуют пучки, состоящие из множества параллельно ориентированных индивидуальных УНТ. Многостенные же УНТ, получаемые каталитическим пиролизом углеводородов, обычно представляют собой беспорядочно спутанные агрегаты нанотрубок, подобные вате. Для ряда применений, например в электродных материалах химических источников тока, представляло бы интерес получить пучки приблизительно параллельно ориентированных многостенных УНТ.It is known that single-walled CNTs, as a rule, form bundles consisting of many parallel oriented individual CNTs. The multiwalled CNTs obtained by the catalytic pyrolysis of hydrocarbons are usually randomly entangled aggregates of nanotubes, like cotton wool. For a number of applications, for example, in electrode materials of chemical current sources, it would be of interest to obtain beams of approximately parallel oriented multiwalled CNTs.

Известно, что параллельно ориентированные углеродные нанотрубки в виде «леса» вырастают на поверхности плоских подложек, на которые тем или иным способом нанесен тонкий слой катализатора. В качестве примера можно привести работу [1], в которой лес многостенных углеродных нанотрубок длиной 10-100 мкм и диаметром 10-20 нм выращивали на пластине кремния с поверхностным слоем диоксида кремния, на который были нанесен (островками) тонкий слой железного катализатора. Известно очень много аналогичных публикаций. Такие методы получения массивов ориентированных УНТ находят применение в электронике и в некоторых других областях. Массовая производительность этих методов невелика. Поэтому, для массового производства УНТ необходимо применение дисперсных катализаторов с развитой поверхностью. Однако лишь немногие из известных дисперсных катализаторов позволяют получать многостенные УНТ в виде пучков.It is known that parallel oriented carbon nanotubes in the form of a "forest" grow on the surface of flat substrates, on which a thin catalyst layer is deposited in one way or another. An example is the work [1], in which a forest of multi-walled carbon nanotubes 10–100 μm long and 10–20 nm in diameter was grown on a silicon wafer with a surface layer of silicon dioxide on which a thin layer of iron catalyst was deposited (islands). A lot of similar publications are known. Such methods for producing arrays of oriented CNTs are used in electronics and in some other fields. The mass productivity of these methods is small. Therefore, the mass production of CNTs requires the use of dispersed catalysts with a developed surface. However, only a few of the known dispersed catalysts make it possible to obtain multiwalled CNTs in the form of beams.

Так, в работе [2] описан катализатор Ni/Mo/MgO, который дает многостенные УНТ диаметром 9-20 нм с выходом около 45 мас.ч. УНТ из 1 мас.ч. катализатора при времени роста 60 мин. Процесс выращивания нанотрубок проводили в трубчатом реакторе при 1000°С, применяя смесь метана с водородом. Как можно судить из приведенных в данной работе изображений, пучки УНТ имели диаметр приблизительно 0,2-1 мкм и длину несколько десятков мкм.Thus, the Ni / Mo / MgO catalyst was described in [2], which produces multi-walled CNTs with a diameter of 9–20 nm with a yield of about 45 parts by weight. CNTs from 1 parts by weight catalyst with a growth time of 60 minutes The process of growing nanotubes was carried out in a tubular reactor at 1000 ° C using a mixture of methane and hydrogen. As can be judged from the images presented in this work, the CNT bundles had a diameter of approximately 0.2-1 μm and a length of several tens of microns.

Подобные по морфологии пучки многостенных УНТ были получены из смеси метана с водородом при 1000°С на катализаторе Ni-Y/Mo [3] с выходом около 30 мас.ч. УНТ из 1 мас.ч. катализатора при времени роста 30 мин. Внешний диаметр индивидуальных нанотрубок при этом был в пределах 5-20 нм.Morphology-like bundles of multi-walled CNTs were obtained from a mixture of methane with hydrogen at 1000 ° С on a Ni-Y / Mo catalyst [3] with a yield of about 30 wt.h. CNTs from 1 parts by weight catalyst at a growth time of 30 minutes The external diameter of individual nanotubes was in the range of 5–20 nm.

В работе [4] многостенные УНТ получали из метана при 900-1200°С на катализаторе Mo/MgO. В зависимости от условий нанотрубки вырастали в виде пучков или же в виде спутанных индивидуальных трубок.In [4], multiwalled CNTs were obtained from methane at 900–1200 ° С on a Mo / MgO catalyst. Depending on the conditions, the nanotubes grew in the form of beams or in the form of tangled individual tubes.

В работе [5] пучки многостенных УНТ получали каталитическим пиролизом метана при 900°С на катализаторе Mo/MgO.In [5], multiwalled CNT bundles were obtained by catalytic pyrolysis of methane at 900 ° С on a Mo / MgO catalyst.

Общими существенными признаками рассмотренных выше технических решений и заявляемого изобретения является наличие в составе катализатора оксидов переходных металлов и оксидов металлов, не восстанавливаемых водородом в условиях синтеза углеродных нанотрубок.Common essential features of the above technical solutions and the claimed invention is the presence in the composition of the catalyst of transition metal oxides and metal oxides not restored by hydrogen in the synthesis of carbon nanotubes.

Недостатком рассмотренных выше катализаторов является то, что они работают при слишком высокой температуре (900-1000°С), что создает сложности для масштабирования этого процесса до промышленного производства.The disadvantage of the above catalysts is that they operate at too high a temperature (900-1000 ° C), which makes it difficult to scale this process to industrial production.

В работе [6] описан катализатор для выращивания пучков многостенных углеродных нанотрубок состава Fe/Al2O3. Катализатор представляет собой смешанный оксид железа и алюминия. Атомное соотношение железа к алюминию составляло 1:4. С применением этого катализатора были получены пучки многостенных углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом ацетилена при температуре 800°С. Индивидуальные нанотрубки имели средний диаметр 35 нм, пучки, судя по приведенным в работе [6] изображениям, имели толщину приблизительно от 1 до 20 мкм и длину до нескольких десятков мкм. Выход УНТ составлял 24 мас.ч. из 1 мас.ч. катализатора.In [6], a catalyst was described for growing bundles of multi-walled carbon nanotubes of the composition Fe / Al 2 O 3 . The catalyst is a mixed oxide of iron and aluminum. The atomic ratio of iron to aluminum was 1: 4. Using this catalyst, beams of multi-walled carbon nanotubes were obtained by catalytic pyrolysis of acetylene at a temperature of 800 ° C. Individual nanotubes had an average diameter of 35 nm, the beams, judging by the images given in [6], had a thickness of about 1 to 20 μm and a length of up to several tens of microns. The yield of CNTs was 24 parts by weight. from 1 parts by weight catalyst.

Общими существенными признаками этого катализатора и заявляемого катализатора являются наличие в их составе оксидов железа и алюминия.Common essential features of this catalyst and the claimed catalyst are the presence of iron and aluminum oxides in their composition.

Недостатком рассмотренного катализатора является то, что он дает слишком толстые нанотрубки, а также то, что, как показали проведенные нами эксперименты, катализатор такого состава не дает пучков нанотрубок при использовании в качестве газов-источников углерода пропилена и пропан-бутана. Ацетилен взрывоопасен и его продажные марки содержат трудноудаляемые примеси, что затрудняет работу с ним. Кроме того, как показывает наш опыт работы с ацетиленом, в случае применения ацетилена для получения углеродных нанотрубок и нановолокон возрастает количество побочных продуктов - полициклических ароматических углеводородов, которые являются экологически вредными. Пропилен и пропан-бутан в меньшей мере дают вредные побочные продукты.The disadvantage of the considered catalyst is that it gives too thick nanotubes, and also, as our experiments have shown, a catalyst of this composition does not produce bundles of nanotubes when propylene and propane-butane are used as carbon source gases. Acetylene is explosive and its sales brands contain difficult to remove impurities, which makes it difficult to work with it. In addition, as our experience with acetylene shows, when acetylene is used to produce carbon nanotubes and nanofibers, the number of by-products, polycyclic aromatic hydrocarbons, which are environmentally harmful, increases. Propylene and propane-butane to a lesser extent produce harmful by-products.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является катализатор состава FeCo/Al2O3, описанный в патенте [7] (прототип). В этой работе также описаны ряд других составов катализаторов для выращивания углеродных нанотрубок, а именно, FeCo/MgO, FeCo/Al2O3, FeMn/MgO, FeMo/MgO, NiCo/MgO, Co/MgO, FeCo/MgO, FeMn/MgO, FeMo/MgO, NiCo/MgO, Co/MgO, FeCo/MgO, а также ряд катализаторов, в которых соединения каталитически активных металлов нанесены на CaCO3. Однако отсутствуют данные о возможности выращивания на катализаторе FeCo/Al2O3 пучков многостенных углеродных нанотрубок. В наших опытах на катализаторе такого состава не наблюдалось образования пучков углеродных нанотрубок.Closest to the claimed invention is a catalyst composition FeCo / Al 2 O 3 described in the patent [7] (prototype). This work also describes a number of other catalyst compositions for growing carbon nanotubes, namely, FeCo / MgO, FeCo / Al 2 O 3 , FeMn / MgO, FeMo / MgO, NiCo / MgO, Co / MgO, FeCo / MgO, FeMn / MgO, FeMo / MgO, NiCo / MgO, Co / MgO, FeCo / MgO, as well as a number of catalysts in which compounds of catalytically active metals are supported on CaCO 3 . However, there is no data on the possibility of growing beams of multi-walled carbon nanotubes on a FeCo / Al 2 O 3 catalyst. In our experiments on a catalyst of this composition, the formation of carbon nanotube bundles was not observed.

В основу заявляемого изобретения положена задача, путем введения в катализатор-прототип дополнительного компонента и выбора соотношения компонентов, обеспечить получение углеродных нанотрубок в виде пучков.The basis of the claimed invention is the task, by introducing an additional component into the prototype catalyst and selecting the ratio of components, to ensure the production of carbon nanotubes in the form of bundles.

Поставленная задача решается тем, что металлоксидный катализатор для выращивания пучков углеродных нанотрубок из газовой фазы, содержащий оксиды железа, кобальта и алюминия, дополнительно содержит оксид молибдена при атомном соотношении молибдена к сумме железа, кобальта и алюминия от 1:10 до 1:50, причем атомное соотношение железа и кобальта находится в пределах от 3:1 до 1:3.The problem is solved in that the metal oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from the gas phase, containing oxides of iron, cobalt and aluminum, additionally contains molybdenum oxide with an atomic ratio of molybdenum to the sum of iron, cobalt and aluminum from 1:10 to 1:50, and the atomic ratio of iron to cobalt is in the range from 3: 1 to 1: 3.

Далее приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения.The following is information confirming the possibility of implementing the claimed invention.

Для осуществления изобретения использовали следующие материалы и оборудование.For the implementation of the invention used the following materials and equipment.

Нитрат железа (III) Fe(NO3)3·9H2O, марки «Ч».Iron (III) nitrate Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, grade "H".

Нитрат кобальта (II) Co(NO3)2·6H2O, марки «Ч».Cobalt (II) nitrate Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, grade "H".

Молибдат аммония (NH4)6Mo7O24·4H2O, марки «ЧДА».Ammonium molybdate (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 · 4H 2 O, grade “ChDA”.

Нитрат алюминия Al(NO3)3·9H2O, марки «ЧДА».Aluminum nitrate Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, grade “ChDA”.

Лимонная кислота моногидрат «Пищевая».Citric Acid Food Monohydrate.

Гидразин-гидрат.Hydrazine hydrate.

Электроплитка с терморегулятором.Electric stove with thermostat.

Печь муфельная.The muffle furnace.

Стандартная лабораторная посуда из стекла и фарфора.Standard laboratory glassware and porcelain.

Лабораторный горизонтальный кварцевый трубчатый реактор.Laboratory horizontal quartz tube reactor.

Промышленный реактор получения углеродных наноматериалов ООО «НаноТехЦентр», Тамбов.Industrial reactor for producing carbon nanomaterials, NanoTechCenter LLC, Tambov.

Пример синтез катализатора.An example of a catalyst synthesis.

В широком стакане из термостойкого стекла емкостью 1 л растворили 3,31 г молибдата аммония в 40 мл воды. Затем при перемешивании прибавили 72,0 г нитрата железа девятиводного и перемешали до полного растворения. Затем последовательно прибавили 223,2 г лимонной кислоты, 36,4 г нитрата кобальта шестиводного и 140,6 г нитрата алюминия девятиводного. Смесь нагревали на плитке при перемешивании. В течение часа температура достигла 60°С, получился прозрачный раствор.3.31 g of ammonium molybdate in 40 ml of water was dissolved in a wide glass of heat-resistant glass with a capacity of 1 l. Then, with stirring, 72.0 g of iron nitrate of nine-water was added and mixed until completely dissolved. Then 223.2 g of citric acid, 36.4 g of cobalt nitrate, hexahydrate and 140.6 g of aluminum nitrate, nine-hydrous, were successively added. The mixture was heated on a tile with stirring. Within an hour, the temperature reached 60 ° C, a clear solution was obtained.

После полного растворения компонентов дали раствору остыть до 50°С и постепенно в течение 20 мин прибавили по каплям при непрерывном перемешивании 80 мл гидразин-гидрата. При этом, охлаждая стакан в водяной бане, следили, чтобы температура раствора, достигнув 60°С, затем держалась около этого значения (происходит экзотермическая реакция с гидразином). После прибавления всего гидразин-гидрата температуру 60°С поддерживали еще в течение 30 мин. Затем температуру раствора в течение минут 15 подняли до 80°С и выдержали реакционную смесь в течение 1 часа при непрерывном перемешивании. Температуру поддерживали, нагревая стакан с реакционной смесью на плитке или же охлаждая его в бане с холодной водой, в зависимости от времени протекания реакции (вначале реакция экзотермическая, затем выделение тепла уменьшается). Наблюдалось выделение газа (вероятно, азот за счет окисления гидразина нитрогруппами).After complete dissolution of the components, the solution was allowed to cool to 50 ° C and 80 ml of hydrazine hydrate were added dropwise gradually over 20 minutes with continuous stirring. At the same time, cooling the glass in a water bath, it was ensured that the temperature of the solution, reaching 60 ° C, then stayed near this value (an exothermic reaction with hydrazine occurs). After all hydrazine hydrate was added, the temperature was maintained at 60 ° С for another 30 min. Then, the temperature of the solution was raised to 80 ° C for 15 minutes and the reaction mixture was kept for 1 hour with continuous stirring. The temperature was maintained by heating the beaker with the reaction mixture on a tile or by cooling it in a bath of cold water, depending on the reaction time (the reaction is exothermic at first, then the heat generation decreases). Gas evolution was observed (probably nitrogen due to the oxidation of hydrazine by nitro groups).

Полученный прозрачный раствор розово-коричневого цвета небольшими порциями подвергали термообработке в фарфоровых чашках, помещая чашку с порцией раствора в муфельную печь с температурой 500°С. Затем катализатор выдержали в муфельной печи 2 часа при 600°С. Готовый катализатор измельчили в ступке до прохождения через сито 0,1 мм. Выход катализатора соответствовал расчетному (42,7 г). Катализатор представлял собой легкий коричнево-серый порошок с насыпной плотностью около 0,2 г/см3. Под микроскопом катализатор состоит из тонких чешуек. Вероятно, эти чешуйки образуются при вспенивании вязкого раствора в процессе его термообработки.The resulting pink-brown clear solution was heat treated in small portions in porcelain cups by placing a cup with a portion of the solution in a muffle furnace at a temperature of 500 ° C. Then the catalyst was kept in a muffle furnace for 2 hours at 600 ° C. The finished catalyst was ground in a mortar until passing through a 0.1 mm sieve. The catalyst yield was as calculated (42.7 g). The catalyst was a light brown-gray powder with a bulk density of about 0.2 g / cm 3 . Under a microscope, the catalyst consists of thin flakes. Probably, these flakes are formed during foaming of a viscous solution during its heat treatment.

В катализаторе, методика синтеза которого описана выше, атомное соотношение металлов составляет:In the catalyst, the synthesis procedure of which is described above, the atomic ratio of metals is:

Mo:(Fe+Co+Al)=1:36,2.Mo: (Fe + Co + Al) = 1: 36.2.

Fe:Co=1:0,70.Fe: Co = 1: 0.70.

Катализаторы с другими соотношениями атомов металлов синтезировали аналогично, при этом брали расчетные количества исходных компонентов.Catalysts with other ratios of metal atoms were synthesized in the same way, while the calculated quantities of the starting components were taken.

Поскольку в данном методе синтеза не происходит разделения компонентов, атомное соотношение металлов в конечном продукте соответствует мольному соотношению исходных солей металлов, взятых для синтеза. Органические компоненты, нитрогруппы и вода в процессе термообработки разлагаются и полностью удаляются.Since there is no separation of components in this synthesis method, the atomic ratio of metals in the final product corresponds to the molar ratio of the starting metal salts taken for synthesis. Organic components, nitro groups and water decompose during heat treatment and are completely removed.

Получение углеродных нанотрубокGetting carbon nanotubes

Углеродные нанотрубки получали методом каталитического пиролиза углеводородов. Эксперименты с применением пропилена проводили в проточном горизонтальном кварцевом трубчатом реакторе диаметром 40 мм. Реактор находился в трубчатой печи ПТ-1,2-70. Навеску катализатора (20 мг) помещали на подложку из графитовой фольги «Графлекс». После подсоединения насадок для ввода и вывода газов реактор продували аргоном и разогревали до рабочей температуры (650°С). Затем в течение 30 мин пропускали рабочую газовую смесь (пропилен 600 мл/мин, водород 800 мл/мин, Н.У.) После окончания процесса пропилен и водород отключили, реактор продули аргоном и подложку с выросшими на ней углеродными нанотрубками извлекли. Масса продукта (УНТ + остатки катализатора) составляла 650 мг. Таким образом, масса углеродных нанотрубок (630 мг) в 31,5 раза превышает массу исходного катализатора.Carbon nanotubes were obtained by the method of catalytic pyrolysis of hydrocarbons. Propylene experiments were carried out in a horizontal flow quartz tube reactor with a diameter of 40 mm. The reactor was in a PT-1.2-70 tube furnace. A portion of the catalyst (20 mg) was placed on a graphlex substrate “Graphlex”. After connecting the nozzles for the input and output of gases, the reactor was purged with argon and heated to operating temperature (650 ° C). Then, for 30 minutes, the working gas mixture was passed (propylene 600 ml / min, hydrogen 800 ml / min, N.U.). After the end of the process, propylene and hydrogen were turned off, the reactor was purged with argon, and the substrate with carbon nanotubes grown on it was removed. The mass of the product (CNT + catalyst residues) was 650 mg. Thus, the mass of carbon nanotubes (630 mg) is 31.5 times the mass of the initial catalyst.

Эксперименты с применением пропан-бутановой смеси проводили в промышленном реакторе ООО «НаноТехЦентр» (Тамбов). На рабочую поверхность реактора нанесли равномерным слоем 6 г катализатора. Реактор продули аргоном и разогрели до 650°С, после чего пустили пропан-бутановую смесь со скоростью 11,25 л/мин. Процесс проводили в течение 40 мин, после чего реактор продули аргоном. После остывания реактор вскрыли и выгрузили продукт. Масса продукта составляла 180 г. Таким образом, выход УНТ равен 180-6=172 г, что в 28,7 раза превышает массу исходного катализатора. Кажущийся (насыпной) объем продукта составлял 12 дм3. Таким образом, насыпная плотность продукта составляла 15 г/дм3. Следует учесть, что значения кажущего объема и насыпной плотности являются ориентировочными, поскольку зависят от степени уплотнения продукта.Experiments using a propane-butane mixture were carried out in an industrial reactor of NanoTechCenter LLC (Tambov). On the working surface of the reactor, a uniform layer of 6 g of catalyst was applied. The reactor was purged with argon and heated to 650 ° C, after which the propane-butane mixture was started at a rate of 11.25 l / min. The process was carried out for 40 min, after which the reactor was purged with argon. After cooling, the reactor was opened and the product was unloaded. The mass of the product was 180 g. Thus, the yield of CNTs is 180-6 = 172 g, which is 28.7 times the mass of the initial catalyst. The apparent (bulk) volume of the product was 12 dm 3 . Thus, the bulk density of the product was 15 g / DM 3 . It should be noted that the values of apparent volume and bulk density are approximate, since they depend on the degree of compaction of the product.

Электронные изображения углеродных нанотрубок получали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM - 6380 LV. На фиг.1, 2 приведены с различным увеличением изображения пучков нанотрубок, полученных в лабораторном горизонтальном трубчатом реакторе с применением пропилена в качестве источника углерода. На фиг.3 приведены с различным увеличением изображения пучков нанотрубок, полученных в промышленном реакторе ООО «НаноТехцентр» с применением пропан-бутановой смеси в качестве источника углерода. Значительная часть углеродных нанотрубок, полученных с применением заявляемого катализатора, получаются в виде пучков. Как видно из фиг.2, по мере роста пучки разветвляются, а на конечной стадии роста разделяются на отдельные нанотрубки, образующие беспорядочно переплетенную структуру. Такая форма агрегатов нанотрубок, как можно предположить, связана с механизмом их роста. Вероятно, вначале рост пучка нанотрубок происходит на внешней геометрической поверхности чешуек катализатора. Однако, как известно из литературных данных [8], в процессе роста углеродных нанотрубок на катализаторах типа Fe-Mo/Al2O3 частицы катализатора самопроизвольно расщепляются на более мелкие, вплоть до наноразмерных частиц. Этот процесс происходит вследствие расталкивания частиц катализатора растущими углеродными нанотрубками. Таким образом, расщепление пучков, наблюдаемое на приведенных изображениях, соответствует расщеплению частиц катализатора (при допущении механизма корневого роста нанотрубок). Когда расщепление доходит до очень тонких пучков, они становятся достаточно гибкими и образуют беспорядочно перепутанную структуру.Electronic images of carbon nanotubes were obtained using a JEOL JSM - 6380 LV scanning electron microscope. Figure 1, 2 shows with different magnification the image of the bundles of nanotubes obtained in a laboratory horizontal tubular reactor using propylene as a carbon source. Figure 3 shows with different magnification the image of the bundles of nanotubes obtained in the industrial reactor of NanoTechcenter LLC using a propane-butane mixture as a carbon source. A significant part of the carbon nanotubes obtained using the inventive catalyst are obtained in the form of beams. As can be seen from figure 2, as the growth of the beams branch out, and at the final stage of growth are divided into separate nanotubes, forming a randomly interwoven structure. This form of nanotube aggregates, as can be assumed, is associated with the mechanism of their growth. It is likely that initially the growth of the nanotube bundle occurs on the external geometric surface of the catalyst flakes. However, as is known from the literature [8], during the growth of carbon nanotubes on Fe-Mo / Al 2 O 3 catalysts, the catalyst particles spontaneously split into smaller particles, up to nanosized particles. This process occurs due to the repulsion of catalyst particles by growing carbon nanotubes. Thus, the beam splitting observed in the above images corresponds to the splitting of the catalyst particles (assuming the root growth mechanism of nanotubes). When the splitting reaches very thin beams, they become quite flexible and form a randomly entangled structure.

Диаметр индивидуальных нанотрубок, выращенных с применением пропилена, составляет 10 нм, в то время как из пропан-бутана на том же катализаторе получаются более толстые трубки с большим разбросом диаметра (около 30-60) нм.The diameter of individual nanotubes grown using propylene is 10 nm, while from propane-butane on the same catalyst thicker tubes with a large diameter spread (about 30-60) nm are obtained.

Проведенные эксперименты показали, что эффект роста пучков углеродных нанотрубок наблюдается при атомном соотношении молибдена к сумме железа, кобальта и алюминия от 1:10 до 1:50 и атомном соотношении железа и кобальта в пределах от 3:1 до 1:3.The experiments showed that the growth effect of carbon nanotube bundles is observed when the atomic ratio of molybdenum to the sum of iron, cobalt and aluminum is from 1:10 to 1:50 and the atomic ratio of iron and cobalt is in the range from 3: 1 to 1: 3.

Заявляемые катализаторы позволяют получать с высоким выходом пучки качественных углеродных нанотрубок. Изобретение может найти применение для промышленного производства углеродных нанотрубок.The inventive catalysts allow to obtain in high yield bundles of high-quality carbon nanotubes. The invention may find application for the industrial production of carbon nanotubes.

Источники информацииInformation sources

1. Bronikowski M.J. CVD growth of carbon nanotube bundle arrays // Carbon, 2006, vol.44, p.2822-2832.1. Bronikowski M.J. CVD growth of carbon nanotube bundle arrays // Carbon, 2006, vol. 44, p. 2822-2832.

2. Li Y, Zhang X.B., Tao X.Y., Xu J.M., Huang W.Z, Luo J.H., Luo Z.Q., Li Т., Liu F., Bao Y., Geise H.J. Mass production of high-quality multi-walled carbon nanotube bundles on a Ni/Mo/MgO catalyst // Carbon, 2005, vol.43, p.295-301.2. Li Y, Zhang X.B., Tao X. Y., Xu J.M., Huang W.Z, Luo J.H., Luo Z.Q., Li T., Liu F., Bao Y., Geise H.J. Mass production of high-quality multi-walled carbon nanotube bundles on a Ni / Mo / MgO catalyst // Carbon, 2005, vol. 43, p. 295-301.

3. Perez-Mendoza M., Valles C., Maser W.K., Martmez M.T., Langlois S., Sauvajol J.L., Benito A.M. Ni-Y/Mo catalyst for the large-scale CVD production of multi-wall carbon nanotubes // Carbon, 2005, vol.43, p.3034-3037.3. Perez-Mendoza M., Valles C., Maser W.K., Martmez M.T., Langlois S., Sauvajol J.L., Benito A.M. Ni-Y / Mo catalyst for the large-scale CVD production of multi-wall carbon nanotubes // Carbon, 2005, vol. 43, p.3034-3037.

4. Li Y., Zhang X., Tao X., Xu J., Chen F., Huang W., Liu F. Growth mechanism of multi-walled carbon nanotubes with or without bundles by catalytic deposition of methane on Mo/MgO // Chemical Physics Letters, 2004, vol.386, p.105-110.4. Li Y., Zhang X., Tao X., Xu J., Chen F., Huang W., Liu F. Growth mechanism of multi-walled carbon nanotubes with or without bundles by catalytic deposition of methane on Mo / MgO // Chemical Physics Letters, 2004, vol. 386, p. 105-110.

5. Jia Y., He L., Kong L., Liu J., Guo Z., Meng F., Luo Т., Li M., Liu J. Synthesis of close-packed multi-walled carbon nanotube bundles using Mo as catalyst // Carbon, 2009, v.47, p.1652-1658.5. Jia Y., He L., Kong L., Liu J., Guo Z., Meng F., Luo T., Li M., Liu J. Synthesis of close-packed multi-walled carbon nanotube bundles using Mo as catalyst // Carbon, 2009, v. 47, p. 1652-1658.

6. Wang X.Q., Li L., Chu N.J, Liu Y.P., Jin H.X., Ge H.L. Lamellar Fe/Al2O3 catalyst for high-yield production of multi-walled carbon nanotubes bundles // Materials Research Bulletin, 2009, vol.44, p.422-425.6. Wang XQ, Li L., Chu NJ, Liu YP, Jin HX, Ge HL Lamellar Fe / Al 2 O 3 catalyst for high-yield production of multi-walled carbon nanotubes bundles // Materials Research Bulletin, 2009, vol. 44, p. 422-425.

7. Пат. РФ 2373995. Кузнецов В.Л., Усольцева А.Н. Способ получения высокодисперсных нанесенных катализаторов и синтез углеродных нанотрубок. 27.11.2009. МПК B01J 37/00, B01J 23/74, C01B 31/00, B82B 3/00, B01J 21/00.7. Pat. RF 2373995. Kuznetsov V.L., Usoltseva A.N. A method of obtaining highly supported supported catalysts and the synthesis of carbon nanotubes. 11/27/2009. IPC B01J 37/00, B01J 23/74, C01B 31/00, B82B 3/00, B01J 21/00.

8. Hao Y., Qunfeng Z., Fei W., Weizhong Q., Guohua L. Agglomerated CNTs synthesized in a fluidized bed reactor: Agglomerate structure and formation mechanism // Carbon, 2003, vol.41, p.2855-2863.8. Hao Y., Qunfeng Z., Fei W., Weizhong Q., Guohua L. Agglomerated CNTs synthesized in a fluidized bed reactor: Agglomerate structure and formation mechanism // Carbon, 2003, vol. 41, p. 2855-2863 .

Claims (1)

Металлоксидный катализатор для выращивания пучков углеродных нанотрубок из газовой фазы, содержащий оксиды железа, кобальта и алюминия, отличающийся тем, что дополнительно содержит оксид молибдена при атомном соотношении молибдена к сумме железа, кобальта и алюминия от 1:10 до 1:50, причем атомное соотношение железа и кобальта находится в пределах от 3:1 до 1:3. A metal oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from the gas phase, containing iron, cobalt and aluminum oxides, characterized in that it further comprises molybdenum oxide with an atomic ratio of molybdenum to the sum of iron, cobalt and aluminum from 1:10 to 1:50, the atomic ratio iron and cobalt ranges from 3: 1 to 1: 3.
RU2010101610/04A 2010-01-19 2010-01-19 Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase RU2427423C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010101610/04A RU2427423C1 (en) 2010-01-19 2010-01-19 Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010101610/04A RU2427423C1 (en) 2010-01-19 2010-01-19 Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2427423C1 true RU2427423C1 (en) 2011-08-27

Family

ID=44756672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010101610/04A RU2427423C1 (en) 2010-01-19 2010-01-19 Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2427423C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5645090B2 (en) A method for producing a carbon fiber aggregate containing single-walled carbon nanotubes, and a carbon fiber aggregate containing single-walled carbon nanotubes produced by the method.
US7094385B2 (en) Process for the mass production of multiwalled carbon nanotubes
JP5250535B2 (en) Catalyst composition for producing thin multi-walled carbon nanotubes
JP5634543B2 (en) Highly conductive carbon nanotubes having an ultra-low bulk density bundle portion and method for producing the same
US20040265212A1 (en) Synthesis of coiled carbon nanotubes by microwave chemical vapor deposition
JP2010137222A (en) Metal nano catalyst, manufacturing method therefor, and adjusting method of growth mode of carbon nanotube using therewith
KR101357628B1 (en) Metal Nano Catalyst, Method for Preparing thereof and Carbon Nanotube Synthesized Using the Same
JP6890187B2 (en) Catalyst for mass production of multiwalled carbon nanotubes
JP2015502903A (en) Carbon nanotube and method for producing the same
JP5059589B2 (en) Boron nitride nanofiber and method for producing the same
CA2815678C (en) Process for production of carbon nanotube
Mansoor et al. Optimization of ethanol flow rate for improved catalytic activity of Ni particles to synthesize MWCNTs using a CVD reactor
Donato et al. Influence of carbon source and Fe-catalyst support on the growth of multi-walled carbon nanotubes
JP2008050239A (en) Nanocarbon material composite and method for producing the same
Chen et al. The effect of reaction temperature on the diameter distribution of carbon nanotubes grown from ethylene decomposition over a Co-La-O catalyst
RU2427423C1 (en) Metal-oxide catalyst for growing bundles of carbon nanotubes from gaseous phase
JP2006298684A (en) Carbon-based one-dimensional material and method for synthesizing the same, catalyst for synthesizing carbon-based one-dimensional material and method for synthesizing the catalyst, and electronic element and method for manufacturing the element
JP2004161561A (en) Manufacturing process of boron nitride nanotube
JP2018016521A (en) Method for producing single layer carbon nanotube-containing composition
KR20160062810A (en) Method for preparing carbon nanotube and hybrid carbon nanotube composite
JP4048138B2 (en) Coin-stacked nanographite, method for producing the same, and catalyst for the production thereof
WO2018123796A1 (en) Method for producing single-walled carbon nanotube-containing composition
CN112371131A (en) Carbon nano tube growth catalyst, preparation method thereof and preparation method of carbon nano tube
JP2010042942A (en) Method for manufacturing substrate for forming carbon nanotube and method for manufacturing carbon nanotube using the substrate
JP2017007903A (en) Method for producing carbon nanotube-containing composition

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120120