專利名稱：一種采用多孔Ni₃Al合金催化制備碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管的制備方法，特別是指一種采用多孔 Ni3Al合金催化制備碳納米管的方法。
背景技術(shù)：
自從日本科學(xué)家S. Iijima在1991發(fā)現(xiàn)碳鈉米管以來，在世界范圍內(nèi)掀起了一股研究碳納米管的熱潮。碳鈉米管由于具有很高的力學(xué) 性能(彈性模量可達(dá)lTPa，拉伸強(qiáng)度可達(dá)100GPa)、良好的熱導(dǎo)率(為金剛石的兩倍)及極好的電流載流能力(為銅導(dǎo)線的載流能力的iooo倍)得到了科學(xué)家們極大的重視。采用碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng) 相來對材料進(jìn)行改性(如碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧樹脂)的研究正成為材料 研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景?？茖W(xué)家們開發(fā)出了很多種制備碳納米管的方法，如催化熱解法、 電弧法、激光蒸發(fā)法等。其中催化熱解法由于便于控制且能批量化生 產(chǎn)，被公認(rèn)為最有潛力的制備方法，且已成為碳納米管制備領(lǐng)域的研 究熱點(diǎn)之一。催化熱解法是指在一定溫度下以含有過渡金屬元素為催 化劑裂解含碳?xì)怏w或液體而制備碳納米管的方法。在該方法中，催化 劑主要是采用含有過渡金屬元素的合金或氧化物或者添加有其它金屬及稀土的過渡金屬氧化物經(jīng)氫氣還原后的產(chǎn)物，即納米過渡金屬(如Ni、 Fe、 Co等)；碳源為烴類含碳?xì)怏w。使含碳?xì)怏w(如乙烯、乙 炔、C0、甲烷、丙烯等有機(jī)氣體)在一定溫度下(一般為60(Tl 000 °C)，在納米過渡金屬Fe、 Co或Ni等催化劑作用下進(jìn)行催化分解， 以此來獲得碳納米管，此夕卜，催化熱解法還可用來制備碳納米管陣列， 這也是催化熱解法相對于其它幾種制備方法的一大優(yōu)勢。Ni3Al合金常被用來做高溫合金，但由于其可以在低氧分壓的情 況下生成納米的Ni顆粒，而納米的Ni顆?？梢杂脕碜鳛樯商技{米管 的生長催化劑，可以用來作為一種新型的制備納米碳管的催化劑材 料。目前，國內(nèi)外采用多孔Ni3Al合金作催化劑催化熱解制備碳納米 管的報道很少。D. H. Chun等首次采用鑄態(tài)的Ni3Al軋制而成的薄片 狀的Ni3Al合金作為催化劑，以甲醇為碳源，采用催化熱解法制備出 了碳納米管，但此研究中碳納米管的生成量很少，僅在Ni3Al薄片的 表層生成了少量的碳納米管由于其比表面積較小，催化劑與碳源氣體 的接觸面也較小，同時其催化劑的活性也較低，從而使得生成的碳納 米管的量也較少。使得碳源氣體無法充分利用，浪費(fèi)較大，無法實(shí)現(xiàn) 大批量的生產(chǎn)，且制備的碳納米管中催化劑的含量過高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種碳源氣體利 用率高、生產(chǎn)效率高、制備的碳納米管中催化劑含量低、生產(chǎn)成本低的采用多孔Ni3Al合金催化制備碳納米管的方法。本發(fā)明一- 一種采用多孔N"A1合金催化制備碳納米管的方法，包括下述步驟1、 原料采用孔隙率為40% 90%，孔徑為80 100um的多孔Ni3Al合金作為 催化劑；采用甲醇蒸汽作為碳源； 采用N2氣作為載體氣；2、 催化以lL/min的速率將甲醇蒸汽加入以2 8L/min速率運(yùn)行的載體氣 N2氣中，在N2氣的帶動下，于450'C 65(TC的催化溫度下穿過多孔 Ni3Al合金催化劑的孔隙，碳源氣在催化劑孔隙表面進(jìn)行催化、分解， 得到黑色碎末與催化劑粉末的混合物；催化時間為1 24小時。3、 酸洗將所得的黑色碳納米管碎末與催化劑粉末的混合物置 于王水中浸泡0.5~4小時，隨后經(jīng)過濾、干燥即得到純的黑色碳納米 管碎末。本發(fā)明由于采用上述原材料及工藝方法， 一方面，利用多孔Ni3Al 合金的孔隙，有效增加了碳源與催化劑的接觸面積，極大的提高了碳 納米管的得率，催化生成后的碳納米管與催化劑本身的質(zhì)量比可達(dá)到7: 1，與現(xiàn)有技術(shù)的催化效率(1: 1 3: 1)相比，要高得多；另外， 本發(fā)明采用甲醇作為碳源原料，與現(xiàn)有較碳納米管制備方法中采用烴類含碳?xì)怏w作為碳源相比，具有原料成本低，來源廣泛，且未完全反 應(yīng)的甲醇蒸汽可以通過冷凝的方法回收并循環(huán)使用，從而可進(jìn)一步降低成本，并可有效防止環(huán)境污染；采用簡單容易得到的&氣作為載 氣，與有技術(shù)采用氫氣和氬氣相比，成本相對較低；同時，催化劑-一 多孔的Ni3Al金屬間化合物，可采用元素粉末冶金工藝制備，其工藝 簡單、流程短、設(shè)備均為常規(guī)設(shè)備，加工成本可以很好的控制，且易 于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；與現(xiàn)有技術(shù)的催化劑制備成本相比，要明顯降低。 綜上所述，本發(fā)明一_ 一種采用多孔N:UA1合金催化制備碳納米管 的方法，具有碳源氣體利用率高、生產(chǎn)效率高、制備的碳納米管中催 化劑含量低、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，適于工業(yè)化生產(chǎn)，可替代現(xiàn)有碳納 米管生產(chǎn)工藝。


附圖為本發(fā)明酸洗后所得的純碳納米管的電鏡照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:取孔隙率為40%，孔徑為80um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率將甲醇蒸汽加入以2L/min速率運(yùn)行的載體氣^氣中，于450 'C 65(TC的催化溫度下穿過多孔Ni3Al合金催化劑的孔隙，催化反應(yīng) lh，得到黑色碎末狀的物質(zhì)；最后將該黑色碎末狀物質(zhì)于王水中浸泡 0.5 4h，過濾、干燥得到純黑色碎末，此時的黑色碎末經(jīng)X射線衍射檢測為純的碳納米管。采用此種工藝制得的碳納米管與原始催化劑的 質(zhì)量比為1: 1。 實(shí)施例2:取孔隙率為65%，孔徑為90um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率將甲醇蒸汽加入以5L/min速率運(yùn)行的載體氣^氣中，于450 'C 65(TC的催化溫度下穿過多孔Ni3Al合金催化劑的孔隙，催化反應(yīng) 12h，得到黑色碎末狀的物質(zhì)；最后將該黑色碎末狀物質(zhì)于王水中浸 泡0.5 4h，過濾、干燥得到純黑色碎末，此時的黑色碎末經(jīng)X射線衍射檢測為純的碳納米管。采用此種工藝制得的碳納米管與原始催化 劑的質(zhì)量比為3: 1。 實(shí)施例3:取孔隙率為90%，孔徑為100um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率將甲醇蒸汽加入以8L/min速率運(yùn)行的載體氣!^氣中，于450 "C 65(TC的催化溫度下穿過多孔Ni3Al合金催化劑的孔隙，催化反應(yīng) 24h，得到黑色碎末狀的物質(zhì)；最后將該黑色碎末狀物質(zhì)于王水中浸 泡0.5 4h，過濾、干燥得到純黑色碎末，此時的黑色碎末經(jīng)X射線衍 射檢測為純的碳納米管。采用此種工藝制得的碳納米管與原始催化劑 的質(zhì)量比為7: 1。
權(quán)利要求
1. 一種采用多孔Ni3Al合金催化制備碳納米管的方法，包括下述步驟1)、原料采用孔隙率為40％~90％，孔徑為80~100um的多孔Ni3Al合金作為催化劑；采用甲醇蒸汽作為碳源；采用N2氣作為載體氣；2)、催化以1L/min的速率將甲醇蒸汽加入以2~8L/min速率運(yùn)行的載體氣N2氣中，在N2氣的帶動下，于450℃~650℃的催化溫度下穿過多孔Ni3Al合金催化劑的孔隙，碳源氣在催化劑孔隙表面進(jìn)行催化、分解，得到黑色碎末與催化劑粉末的混合物；催化時間為1~24小時。3)、酸洗將所得的黑色碳納米管碎末與催化劑粉末的混合物置于王水中浸泡0.5~4小時，隨后經(jīng)過濾、干燥即得到純的黑色碳納米管碎末。
全文摘要
一種采用多孔Ni₃Al合金催化制備碳納米管的方法，是采用多孔Ni₃Al合金作為催化劑；采用甲醇蒸汽作為碳源；采用N₂氣作為載體氣；于450℃~650℃的催化溫度下穿過多孔Ni₃Al合金催化劑的孔隙，得到黑色碎末與催化劑粉末的混合物；酸洗后經(jīng)過濾、干燥即得到純的黑色碳納米管碎末。本發(fā)明具有碳源氣體利用率高、生產(chǎn)效率高、制備的碳納米管中催化劑含量低、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，適于工業(yè)化生產(chǎn)，可替代現(xiàn)有碳納米管生產(chǎn)工藝。
文檔編號B01J23/755GK101264882SQ200810031138
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者何曉宇, 詠 劉, 彬 劉 申請人:中南大學(xué)