製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑及製備方法

2023-12-01 07:11:36 2

專利名稱：製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑及製備方法
技術領域：
本發明涉及製備碳納米管的催化劑，尤其是涉及製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑及製備方法。
背景技術：
碳納米管是20世紀90年代發現的一種新型碳結構，具有優異的機械、力學、電子、光學、熱學和儲能性能，從而引起了相當大的關注，在電子、化學、微機械、能源等多個領域具有潛在的廣泛應用。利用其優異的機械、力學性能和電學性能，可以將其添加到各種金屬、非金屬或高分子材料中，可以增強材料的各種性能，並提高其導電性；利用其優異的發射電子性能，可以獲得低驅動電壓的場發射平板顯示器；利用其納米尺寸和導電性能，可以進行設計微型機電系統；利用其獨特的空腔結構作為反應器，能夠研究多種物質在納米尺寸的行為；同樣的利用其空腔結構產生的高比表面積，能夠用作鎳氫電池、鋰離子電池或燃料電池的電極材料。
目前碳納米管的製備方法主要有電弧放電法、雷射蒸發法和催化化學氣相沉積(CCVD)法，同時還有一些其它方法，如熔鹽法、太陽能法、溼化學法等。電弧放電法主要用於製備單壁碳納米管，反應溫度高達3000℃以上；雷射蒸發法是利用雷射的高溫使得石墨中的碳原子揮發進行重構，要求的實驗條件較高；催化裂解含碳氣體法是目前最常見的製備碳納米管的方法，其設備簡單，操作過程簡便，特別適宜於大規模的生產。但CCVD法製備碳納米管的關鍵是催化劑的製備技術，不同的催化劑製備的碳納米管具有不同的形貌和性能，其中存在的一個重要的問題是碳納米管管徑的均勻性問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種用於製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬氧化物催化劑及上述催化劑的製備方法，在保證碳納米管高產率的同時獲得均勻管徑。
本發明解決上述技術問題所採取的技術方案為一種用於製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑，它以氧化鎂為載體，載體上負載有單金屬氧化物組分、鑭摻雜組分和促進催化組分，四者的摩爾比為0.5～3.0∶0.1～1.0∶0.01～1.0∶0.5～3.0，其中，單金屬氧化物組分為鐵、鈷、鎳的氧化物，摻雜組分為鑭的氧化物，促進催化組分為鉬的氧化物。
該種用於製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，包括以下步驟將鎂鹽經攪拌溶於蒸餾水中，再加入單金屬氧化物組分鹽、鑭摻雜組分鹽和促進催化組分鹽，繼續攪拌使其完全溶解，四者的摩爾比為0.5～3.0∶0.1～1.0∶0.01～1.0∶0.5～3.0；將上述溶液於120～200℃烘乾3～5小時，在有氧環境下於550～850℃高溫煅燒10～30分鐘，取出研細，即獲得用於製備碳納米管的催化劑。
所述的鎂鹽選自硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂、醋酸鎂或其中任二者、三者或四者的混合物。
所述的單金屬氧化物組分鹽包括鐵、鈷或鎳的單組分鹽。
所述的鐵鹽包括硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵、醋酸鐵，鈷鹽包括硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、醋酸鈷，鎳鹽包括硝酸鎳、氯化鎳、硫酸鎳、醋酸鎳。
所述的鑭摻雜組分鹽包括硝酸鑭、碳酸鑭、醋酸鑭。
所述促進催化組分鹽為鉬酸銨或鉬的氧化物。
將該催化劑用於製備碳納米管的過程一般為將催化劑置於反應腔中，再通入甲烷、芳香烴、天然氣或其混合物等碳源氣體，流速為500～5000sccm、氫氣流速為0～2000sccm、氮氣或惰性氣體流速為0～500sccm的氣氛中，於750～1000℃下反應20～60分鐘，即獲得多壁碳納米管產物。另外，在碳納米管生長前還可利用氮氣或其它惰性氣體排空反應室內的空氣，在碳納米管生長完成後利用氮氣或其它惰性氣體對產物進行保護。
與現有技術相比，本發明的催化劑具有較高的催化效率，產物(含催化劑)與催化劑重量比一般高於30倍，碳納米管的純度一般高於90％，所獲得的碳納米管管徑為10～20nm，分布均勻，石墨化程度良好；本發明所述的催化劑製備方法具有可重複性良好，過程簡單，易於操作的優點。


圖1是用本發明實例一的催化劑製得的多壁碳納米管的透射電鏡(TEM)照片。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例一一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬氧化物催化劑，它以氧化鎂為載體，載體上負載有鎳金屬氧化物組分、鑭摻雜組分和促進催化組分，四者的摩爾比為50∶10∶1∶50。
實施例二一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬氧化物催化劑，它以氧化鎂為載體，載體上負載有鎳金屬氧化物組分、鑭金屬摻雜組分和促進催化組分，四者的摩爾比為25∶10∶1∶25。
實施例三一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，按摩爾比Co∶La∶Mo∶Mg＝5∶5∶75∶125，稱取氯化鈷、碳酸鑭、鉬酸銨、氯化鎂，先將氯化鎂溶於適量蒸餾水中，再依次加入氯化鈷、碳酸鑭和鉬酸銨，待其完全溶解，將溶液在160℃烘乾，時間為4小時。將獲得的產物在700℃空氣中煅燒20分鐘後研細，即得到可用來製備碳納米管的催化劑。
實施例四一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，按摩爾比Fe∶La∶Mo∶Mg＝1∶1∶25∶15，稱取醋酸鐵、醋酸鑭、鉬酸銨、醋酸鎂，先將醋酸鎂溶於適量蒸餾水中，再依次加入醋酸鐵、醋酸鑭和鉬酸銨，待其完全溶解，將溶液在160℃烘乾，時間為4小時。將獲得的產物在700℃空氣中煅燒10分鐘後研細，即得到可用來製備碳納米管的催化劑。
實施例五一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，按摩爾比Fe∶La∶Mo∶Mg＝9∶1∶100∶200，稱取硝酸鐵、硝酸鑭、鉬酸銨、硝酸鎂，先將硝酸鎂溶於適量蒸餾水中，再依次加入硝酸鐵、硝酸鑭和鉬酸銨，待其完全溶解，將溶液在140℃烘乾，時間為4小時。將獲得的產物在600℃空氣中煅燒30分鐘後研細，即得到可用來製備碳納米管的催化劑。
實施例六一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，按摩爾比Ni∶La∶Mo∶Mg＝5∶1∶40∶60，稱取硫酸鎳、碳酸鑭、鉬酸銨、硫酸鎂，先將硫酸鎂溶於適量蒸餾水中，再依次加入硫酸鎳、碳酸鑭和鉬酸銨，待其完全溶解，將溶液在120℃烘乾，時間為5小時。將獲得的產物在650℃空氣中煅燒20分鐘後研細，即得到可用來製備碳納米管的催化劑。
實施例七一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，按摩爾比Co∶La∶Mo∶Mg＝1∶1∶25∶15，稱取醋酸鈷、醋酸鑭、鉬酸銨、醋酸鎂，先將醋酸鎂溶於適量蒸餾水中，再依次加入醋酸鈷、醋酸鑭和鉬酸銨，待其完全溶解，將溶液在160℃烘乾，時間為4小時。將獲得的產物在750℃空氣中煅燒5分鐘後研細，即得到可用來製備碳納米管的催化劑。
權利要求
1.一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑，它以氧化鎂為載體，載體上負載有單金屬氧化物組分、鑭摻雜組分和促進催化組分，其特徵在於四者的摩爾比為0.5～3.0∶0.1～1.0∶0.01～1.0∶0.5～3.0，其中，單金屬氧化物組分為鐵、鈷或鎳的氧化物，摻雜組分為鑭的氧化物，促進催化組分為鉬的氧化物。
2.一種製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於包括以下步驟將鎂鹽經攪拌溶於蒸餾水中，再加入單金屬氧化物組分鹽、鑭摻雜組分鹽和促進催化組分鹽，繼續攪拌使其完全溶解，四者的摩爾比為0.5～3.0∶0.1～1.0∶0.01～1.0∶0.5～3.0；將上述溶液於120～200℃烘乾3～5小時，在有氧環境下於550～850℃高溫煅燒10～30分鐘，取出研細，即獲得用於製備碳納米管的催化劑。
3.根據權利要求2所述的製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於所述的鎂鹽選自硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂、醋酸鎂或其中任二者、三者或四者的混合物。
4.根據權利要求2所述的製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於所述的單金屬氧化物組分鹽包括鐵、鈷或鎳的單組分鹽。
5.根據權利要求4所述的製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於所述的鐵鹽包括硝酸鐵、氯化鐵、硫酸鐵、醋酸鐵，鈷鹽包括硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷、醋酸鈷，鎳鹽包括硝酸鎳、氯化鎳、硫酸鎳、醋酸鎳。
7.根據權利要求2所述的製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於所述的鑭摻雜組分鹽包括硝酸鑭、碳酸鑭、醋酸鑭。
8.根據權利要求2所述的用於製備均勻管徑碳納米管的鑭摻雜單金屬催化劑的製備方法，其特徵在於所述促進催化組分鹽為鉬酸鹽。
全文摘要
本發明公開了一種製備均勻管徑的碳納米管鑭摻雜單金屬催化劑及製備方法，催化劑以氧化鎂為載體，以鈷、鐵或鎳的氧化物為金屬氧化物組分，以鑭的氧化物為摻雜組分，以鉬的氧化物為促進催化組分，將鎂鹽溶於蒸餾水中，加入金屬氧化物組分鹽、鑭摻雜組分鹽和促進催化組分鹽，使其完全溶解，四者的摩爾比為0.5～3.0∶0.1～1.0∶0.01～1.0∶0.5～3.0；將溶液於120～200℃烘乾3～5小時，在550～850℃高溫煅燒10～30分鐘，取出研細成粉末，即得到用於製備碳納米管的催化劑，催化劑具有較高的催化效率，且產物管徑均勻，石墨化程度良好，催化劑製備方法具有可重複性好、過程簡單、易於操作的優點。
文檔編號B01J23/88GK1669652SQ20041009359
公開日2005年9月21日 申請日期2004年12月24日 優先權日2004年12月24日
發明者黃德歡, 施新華, 孔凡志, 丁建設, 周澤華 申請人:寧波華實納米材料有限公司