【阿里巴巴化工】摘要:以乙烯為碳源，碳納米管負(fù)載鐵基為催化劑，于790℃制備了平均直徑約為30nm的多壁碳納米管。研究了700~850℃范圍內(nèi)碳納米管產(chǎn)物的形貌特征和純度，并與以Al2O3負(fù)載鐵基作為催化劑的產(chǎn)物進(jìn)行了比較。利用SEM、TEM、拉曼光譜，對(duì)催化劑和產(chǎn)物進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)在最佳反應(yīng)溫度下，兩種催化劑制備的碳納米管形貌、直徑分布范圍及平均直徑相當(dāng)，但以碳納米管負(fù)載鐵基為催化劑，產(chǎn)量明顯提高100%，且不具有難處理的氧化物載體，純度很高。
關(guān)鍵詞:無(wú)機(jī)非金屬材料；碳納米管；催化劑；制備
1991年碳納米管的發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了納米材料實(shí)驗(yàn)與理論的研究[1,。碳納米管的主要應(yīng)用體現(xiàn)在場(chǎng)發(fā)射，納米探針，復(fù)合增強(qiáng)材料，儲(chǔ)氫材料等方面。作為一種新型的納米材料，由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，碳納米管也被認(rèn)為是超級(jí)電容器和電極的理想候選材料。制備出質(zhì)量好的碳納米
管是一切應(yīng)用的關(guān)鍵。而催化劑的制備是核心，催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)強(qiáng)烈影響碳納米管的晶化程度和形態(tài)。負(fù)載催化劑的載體必須具有良好的熱穩(wěn)定性，合適的孔結(jié)構(gòu)和大的比表面積。一般主要采用硅藻土(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)等作為碳納米管制備的催化劑載體；但是這些金屬氧化物混在產(chǎn)物中不易除去。最近，有人用碳纖維和炭黑作為載體負(fù)載過(guò)渡金屬制備了二次碳以及碳納米管[3~5]，一定程度解決了上述問(wèn)題。然而，用碳納米管做載體制備碳納米
管并不多見(jiàn)。
碳納米管作為一種新型的碳材料，其高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的表面性質(zhì)，使得其可以作為催化劑載體材料。關(guān)于碳納米管作為載體材料的研究國(guó)內(nèi)外已有大量的報(bào)道。李春華[6]等人以鎳/碳納米管作為催化劑制備出了高產(chǎn)量的碳納米管。對(duì)碳納米管生長(zhǎng)特性及其與生長(zhǎng)條件和參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，探索在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)碳納米管結(jié)構(gòu)控制的方法，對(duì)于碳納米管的研究和應(yīng)用都有重要意義。
筆者以乙烯為碳源，碳納米管負(fù)載鐵基為催化劑制備出了成晶良好的多壁碳納米管。利用SEM等手段對(duì)催化劑和產(chǎn)物進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)在700~850℃范圍
內(nèi)，催化裂解乙烯都能夠得到碳管，且在790℃最佳的反應(yīng)溫度時(shí)，制備出的碳納米管直徑分布均勻，質(zhì)量較好；催化劑溫度承受能力明顯提高。并與以Al2O3
負(fù)載鐵基作為催化劑的產(chǎn)物進(jìn)行了比較。這一基礎(chǔ)性探索目的在于尋找新型的高產(chǎn)量和質(zhì)量的碳納米管制備技術(shù)。
1實(shí)驗(yàn)
1.1制備碳納米管載體
用于催化劑載體的碳納米管，是以Fe(Mo)/CNTs為催化劑，于680℃裂解乙烯制得。其中催化劑的制備與文獻(xiàn)[7]相同。將碳納米管粗品經(jīng)濃HNO3回流處
理2h，然后過(guò)濾，用蒸餾水洗滌多次直至呈中性，在100℃的烘箱內(nèi)烘干，從而除去催化劑顆粒和碳雜質(zhì)，得到提純后的備用碳納米管。
1.2制備Fe2O3/CNTs和Fe2O3/Al2O3催化劑
Fe2O3/CNTs催化劑的制備工藝如下：取一定量用硝酸處理過(guò)的碳納米管，加入適量的無(wú)水乙醇，超聲20min；另取一定量的Fe(NO3)3·9H2O配成溶液，與上述碳納米管混合均勻，往其中加入氨水直至pH值大于7，同時(shí)磁力攪拌，之后繼續(xù)攪拌24h。將最后所得沉淀清洗潔凈，于100℃烘干，置于陶瓷舟中，在Ar氣的氣氛下，400℃灼燒2h。催化劑通過(guò)SEM(JEOL—6700F)表征。
Fe2O3/Al2O3催化劑的制備采用sol-gel法。取適量Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O配成溶液(使得Fe2O3和Al2O3質(zhì)量比與Fe2O3和CNTs的質(zhì)量比相同)，然后用氨水滴定，以后的操作同上．兩種催化劑在使用前均用瑪瑙缽研磨幾分鐘。
1.3多壁碳納米管的制備
實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備是由程序控制升溫的電加熱爐。每次實(shí)驗(yàn)均取0.1g催化劑平鋪在一個(gè)小陶瓷舟內(nèi)，然后將陶瓷舟置于已插入電爐的石英管的中部。首先通Ar氣(40mL/min)30min將溫度升至550℃，再通入H2氣(80mL/min)20min升溫至指定的裂解溫度，之后通入碳源氣體(120mL/min)，同時(shí)將H2氣流量調(diào)為15mL/min，恒溫一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后在Ar氣條件下冷卻至室溫。為了對(duì)比研究，以Fe/CNTs和Fe/Al2O3為催化劑，分別在700，750，790，810，850℃等溫度和不同的裂解時(shí)間情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。以Fe/CNTs作催化劑制備的碳納米管，用TEM(JEM—100CXⅡ)和拉曼光譜(RM—1000型，Ar+激光器，激發(fā)波長(zhǎng)514.5nm)表征。