單壁納米碳管的高效率CVD法制備及表征的研究.pdf

1、單壁納米碳管自1993年被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)、電學(xué)特性，迅速成為材料界的研究熱點(diǎn)，并被廣泛地應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存、顯微鏡探針、場發(fā)射設(shè)備、化學(xué)傳感器及高強(qiáng)復(fù)合材料等方面。目前，制備SWNTs的方法主要有三種：電弧放電法、激光燒蝕法和化學(xué)氣相沉積法。但電弧放電法和激光燒蝕法所需設(shè)備復(fù)雜，極大限制了其工業(yè)化生產(chǎn)。而化學(xué)氣相沉積法(CVD)設(shè)備簡單，操作容易，并可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備，是最有望實(shí)現(xiàn)納米碳管工業(yè)化生產(chǎn)的方法而倍受關(guān)注。而在C

2、VD合成單壁納米碳管的過程中，最關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于高活性催化劑的制備，各課題組分別采用各種方法來制備催化劑，但合成碳管的產(chǎn)率都不高?；诖?，本文將兩種先進(jìn)的納米粉體制備工藝(超臨界流體干燥法及冷凍干燥法)用于高活性單壁納米碳管反應(yīng)催化劑的制備，并對(duì)單壁納米碳管合成中的各種影響因素進(jìn)行了優(yōu)化。 研究結(jié)果表明煅燒過程對(duì)催化劑的活性影響很大。通過考察，對(duì)超臨界干燥的Fe/Mo/Al2O3催化劑，600℃為最佳煅燒溫度。而對(duì)于冷凍干燥的Fe/

3、Mo/MgO催化劑，煅燒卻并不利于其活性的提高。產(chǎn)生上述的差異主要與煅燒對(duì)催化劑顆粒度、分散性及酸堿性的改變有關(guān)。 通過一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)Fe/Mo/Al2O3催化劑合成單壁納米碳管的各項(xiàng)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出最佳的生產(chǎn)工藝是：Fe/Mo/Al2O3的配比為1：0.15：15(摩爾比)；反應(yīng)氣體：CH4/H2=750/200v/v；反應(yīng)溫度：1000℃；反應(yīng)時(shí)間：30min。在此工藝下合成的單壁納米碳管在粗產(chǎn)品中含量高達(dá)75％，

4、產(chǎn)率高達(dá)140.3％。 我們進(jìn)一步對(duì)超臨界干燥法制備催化劑的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，通過將水熱法結(jié)合進(jìn)超臨界干燥工藝中，極大簡化了醇凝膠制備過程，大幅度降低了催化劑的制備成本。合成的單壁納米碳管含量也相當(dāng)高，達(dá)到了56％，SWNTs產(chǎn)率達(dá)到了118.8％。由于該法省時(shí)省力，經(jīng)過進(jìn)一步的工藝優(yōu)化，將是具有很大應(yīng)用前景的催化劑制備方法。同時(shí)我們還嘗試了用超臨界干燥法用于Fe/Mo/MgO催化劑的制備，但由于在醇凝膠中引用了丙烯酰胺和N，N-

5、亞甲基雙丙烯酰胺等含碳物，這樣在煅燒過程中C-C網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的坍塌就會(huì)導(dǎo)致催化劑的活性組分利用率不高，最終合成的單壁納米碳管含量較低，只有15％。但該工作為高活性Fe/Mo/MgO催化劑的制備提供了一種思路，在以后的工作中將醇凝膠制備工藝改進(jìn)，減少含碳物引入，將有望獲得更好的有利于大規(guī)模制備單壁納米碳管的Fe/Mo/MgO催化劑。 本文首次將冷凍干燥法用于單壁納米碳管合成用的Fe/Mo/MgO催化劑的制備。該法制備的Fe/Mo/Mg