專利名稱：堿金屬摻雜銅催化劑及用于制備一維碳納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種堿金屬摻雜銅催化劑及用于制備一維碳納米材料的方法。
背景技術(shù)：
納米碳管及納米碳纖維是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型碳材料，是一維結(jié)構(gòu)材料與納米材料的典型代表之一。化學(xué)氣相沉積法(CVD)由于其產(chǎn)量高，操作簡單，投資少，是目前最有希望成為工業(yè)化大量生產(chǎn)納米碳管及納米碳纖維的方法，因而也已成為當前制備碳納米材料的最流行的方法。該方法通常使用金屬負載型的固體催化劑，通過在固定床上裂解有機氣體如甲烷、乙炔、乙烯和丙稀，進行氣固相非均相反應(yīng)，最后得到納米碳管。金屬銅在合成碳納米材料時被認為反應(yīng)活性低，不能用作催化劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服偏見，提供一種堿金屬摻雜銅催化劑及用于制備一維碳納米材料的方法。
本發(fā)明的堿金屬摻雜銅催化劑由堿金屬、銅及鎂三種金屬的氧化物組成，其摩爾比為堿金屬∶銅∶鎂＝(0.001～1)∶(0.1～1)∶(0.1～10)。
上述的堿金屬選用堿金屬鹽形成的堿金屬氧化物，其中堿金屬為鋰、鈉或鉀，銅選用銅鹽形成的銅氧化物，鎂選用鎂鹽形成的鎂氧化物。
本發(fā)明的堿金屬摻雜銅催化劑采用溶膠凝膠法制備，按摩爾比取含有堿金屬、銅、鎂的金屬鹽和等同于鎂的摩爾數(shù)的檸檬酸，在蒸餾水中混合溶解形成透明溶液，加熱攪拌形成凝膠后置入瓷舟，在馬弗爐中500～800℃加熱5～60分鐘，形成的粉末冷卻后取出研細。
一維碳納米材料的制備在固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)裝置中進行。將一定量的催化劑放入溫度為500～1000℃的固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐中，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為(50～100)∶(50～300)∶(50～300)，反應(yīng)10分鐘～60分鐘，收集產(chǎn)物即為本發(fā)明產(chǎn)品。
本發(fā)明首次提供了堿金屬摻雜銅催化劑并用于制備一維碳納米材料，方法簡單，所得產(chǎn)品具有獨特形貌，合成的碳納米管端部有銅納米尖填充，合成的碳納米纖維具有多孔分叉結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明方法制得的有銅納米尖填充碳納米管的掃描電鏡(SEM)照片；圖2是本發(fā)明方法制得的有分叉多孔結(jié)構(gòu)碳納米纖維的透射電鏡(SEM)照片。
具體實施例方式
實施例1按摩爾比鉀∶鎂∶銅＝0.002∶0.1∶0.3的比例取硝酸鉀、六水合硝酸鎂、硝酸銅和等同于六水合硝酸鎂摩爾數(shù)的檸檬酸，在蒸餾水中混合溶解形成透明溶液，加熱攪拌形成凝膠后置入瓷舟，在馬弗爐中500℃加熱5分鐘，形成的粉末冷卻后取出研細。納米碳管的制備在固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐上進行。當爐溫升至600℃后，將0.5克催化劑放入爐中段恒溫區(qū)，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為50∶180∶300，反應(yīng)20分鐘后制得端部填充有銅納米尖的碳納米管，促產(chǎn)品重量約為1.5克。該產(chǎn)品的掃描電鏡照片如圖1所示。
實施例2按摩爾比鋰∶鎂∶銅＝0.06∶0.8∶10的比例取硝酸鋰、六水合硝酸鎂、硝酸銅和等同于六水合硝酸鎂摩爾數(shù)的檸檬酸，在蒸餾水中混合溶解形成透明溶液，加熱攪拌形成凝膠后置入瓷舟，在馬弗爐中500℃加熱30分鐘，形成的粉末冷卻后取出研細。納米碳管的制備在固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐上進行。當爐溫升至700℃后，將0.5克催化劑放入爐中段恒溫區(qū)，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為80∶80∶100，反應(yīng)30分鐘后制得端部填充有銅納米尖的碳納米管，促產(chǎn)品重量約為1.5克。
實施例3按摩爾比鈉∶鎂∶銅＝1∶1∶5的比例取醋酸鈉、六水合硝酸鎂、硝酸銅和等同于六水合硝酸鎂摩爾數(shù)的檸檬酸，在蒸餾水中混合溶解形成透明溶液，加熱攪拌形成凝膠后置入瓷舟，在馬弗爐中550℃加熱10分鐘，形成的粉末冷卻后取出研細。納米碳管的制備在固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐上進行。當爐溫升至900℃后，將0.5克催化劑放入爐中段恒溫區(qū)，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為100∶300∶50，反應(yīng)60分鐘后得到具有分叉多孔結(jié)構(gòu)的碳納米纖維，粗產(chǎn)品重量約為4克，圖2是其掃描電鏡照片。
權(quán)利要求
1.堿金屬摻雜銅催化劑，其特征在于該催化劑由堿金屬、銅及鎂三種金屬的氧化物組成，其摩爾比為堿金屬∶銅∶鎂＝(0.001～1)∶(0.1～1)∶(0.1～10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿金屬摻雜銅催化劑，其特征在于堿金屬選用堿金屬鹽形成的堿金屬氧化物，其中堿金屬為鋰、鈉或鉀，銅選用銅鹽形成的銅氧化物，鎂選用鎂鹽形成的鎂氧化物。
3.權(quán)利要求1所述堿金屬摻雜銅催化劑用于制備一維碳納米材料的方法，其特征在于將一定量的催化劑放入溫度為500～1000℃的固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐中，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為(50～100)∶(50～300)∶(50～300)，反應(yīng)10分鐘～60分鐘，收集產(chǎn)物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述堿金屬摻雜銅催化劑用于制備一維碳納米材料的方法，其特征在于所說的一維碳納米材料為具有銅尖填充的碳納米管和多孔碳納米纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及堿金屬摻雜銅催化劑及用于制備一維碳納米材料的方法。堿金屬摻雜銅催化劑由堿金屬、銅及鎂三種金屬的氧化物組成，其摩爾比為堿金屬∶銅∶鎂＝(0.001～1)∶(0.1～1)∶(0.1～10)。將一定量的催化劑放入溫度為500～1000℃的固定床氣體連續(xù)流動反應(yīng)爐中，通入乙炔、氨氣和氮氣，乙炔、氨氣和氮氣的流量比為(50～100)∶(50～300)∶(50～300)，反應(yīng)10分鐘～60分鐘，收集產(chǎn)物即為本發(fā)明產(chǎn)品。本發(fā)明方法簡單，制備的碳納米管及碳納米纖維具有獨特的結(jié)構(gòu)，其中碳納米管在其端部填充有銅納米尖，碳納米纖維為多孔分叉結(jié)構(gòu)。
文檔編號C01B31/02GK1724157SQ20051004987
公開日2006年1月25日 申請日期2005年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月30日
發(fā)明者陶新永, 張孝彬, 程繼鵬, 祝文明, 張超, 涂江平, 劉芙 申請人:浙江大學(xué)