一种采用多孔Ni₃Al合金催化制备碳纳米管的方法

专利名称：一种采用多孔Ni₃Al合金催化制备碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管的制备方法，特别是指一种采用多孔 Ni3Al合金催化制备碳纳米管的方法。
背景技术：
自从日本科学家S. Iijima在1991发现碳钠米管以来，在世界范围内掀起了一股研究碳纳米管的热潮。碳钠米管由于具有很高的力学 性能(弹性模量可达lTPa，拉伸强度可达100GPa)、良好的热导率(为金刚石的两倍)及极好的电流载流能力(为铜导线的载流能力的iooo倍)得到了科学家们极大的重视。采用碳纳米管作为复合材料的增强 相来对材料进行改性(如碳纳米管增强环氧树脂)的研究正成为材料 研究领域的一个热点，具有非常广泛的应用前景。科学家们开发出了很多种制备碳纳米管的方法，如催化热解法、 电弧法、激光蒸发法等。其中催化热解法由于便于控制且能批量化生 产，被公认为最有潜力的制备方法，且已成为碳纳米管制备领域的研 究热点之一。催化热解法是指在一定温度下以含有过渡金属元素为催 化剂裂解含碳气体或液体而制备碳纳米管的方法。在该方法中，催化 剂主要是采用含有过渡金属元素的合金或氧化物或者添加有其它金属及稀土的过渡金属氧化物经氢气还原后的产物，即纳米过渡金属(如Ni、 Fe、 Co等)；碳源为烃类含碳气体。使含碳气体(如乙烯、乙 炔、C0、甲烷、丙烯等有机气体)在一定温度下(一般为60(Tl 000 °C)，在纳米过渡金属Fe、 Co或Ni等催化剂作用下进行催化分解， 以此来获得碳纳米管，此夕卜，催化热解法还可用来制备碳纳米管阵列， 这也是催化热解法相对于其它几种制备方法的一大优势。Ni3Al合金常被用来做高温合金，但由于其可以在低氧分压的情 况下生成纳米的Ni颗粒，而纳米的Ni颗粒可以用来作为生成碳纳米管 的生长催化剂，可以用来作为一种新型的制备纳米碳管的催化剂材 料。目前，国内外采用多孔Ni3Al合金作催化剂催化热解制备碳纳米 管的报道很少。D. H. Chun等首次采用铸态的Ni3Al轧制而成的薄片 状的Ni3Al合金作为催化剂，以甲醇为碳源，采用催化热解法制备出 了碳纳米管，但此研究中碳纳米管的生成量很少，仅在Ni3Al薄片的 表层生成了少量的碳纳米管由于其比表面积较小，催化剂与碳源气体 的接触面也较小，同时其催化剂的活性也较低，从而使得生成的碳纳 米管的量也较少。使得碳源气体无法充分利用，浪费较大，无法实现 大批量的生产，且制备的碳纳米管中催化剂的含量过高。发明内容本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种碳源气体利 用率高、生产效率高、制备的碳纳米管中催化剂含量低、生产成本低的采用多孔Ni3Al合金催化制备碳纳米管的方法。本发明一- 一种采用多孔N"A1合金催化制备碳纳米管的方法，包括下述步骤1、 原料采用孔隙率为40% 90%，孔径为80 100um的多孔Ni3Al合金作为 催化剂；采用甲醇蒸汽作为碳源； 采用N2气作为载体气；2、 催化以lL/min的速率将甲醇蒸汽加入以2 8L/min速率运行的载体气 N2气中，在N2气的带动下，于450'C 65(TC的催化温度下穿过多孔 Ni3Al合金催化剂的孔隙，碳源气在催化剂孔隙表面进行催化、分解， 得到黑色碎末与催化剂粉末的混合物；催化时间为1 24小时。3、 酸洗将所得的黑色碳纳米管碎末与催化剂粉末的混合物置 于王水中浸泡0.5~4小时，随后经过滤、干燥即得到纯的黑色碳纳米 管碎末。本发明由于采用上述原材料及工艺方法， 一方面，利用多孔Ni3Al 合金的孔隙，有效增加了碳源与催化剂的接触面积，极大的提高了碳 纳米管的得率，催化生成后的碳纳米管与催化剂本身的质量比可达到7: 1，与现有技术的催化效率(1: 1 3: 1)相比，要高得多；另外， 本发明采用甲醇作为碳源原料，与现有较碳纳米管制备方法中采用烃类含碳气体作为碳源相比，具有原料成本低，来源广泛，且未完全反 应的甲醇蒸汽可以通过冷凝的方法回收并循环使用，从而可进一步降低成本，并可有效防止环境污染；采用简单容易得到的&气作为载 气，与有技术采用氢气和氩气相比，成本相对较低；同时，催化剂-一 多孔的Ni3Al金属间化合物，可采用元素粉末冶金工艺制备，其工艺 简单、流程短、设备均为常规设备，加工成本可以很好的控制，且易 于实现批量生产；与现有技术的催化剂制备成本相比，要明显降低。 综上所述，本发明一_ 一种采用多孔N:UA1合金催化制备碳纳米管 的方法，具有碳源气体利用率高、生产效率高、制备的碳纳米管中催 化剂含量低、生产成本低的优点，适于工业化生产，可替代现有碳纳 米管生产工艺。


附图为本发明酸洗后所得的纯碳纳米管的电镜照片。
具体实施方式
实施例1:取孔隙率为40%，孔径为80um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率将甲醇蒸汽加入以2L/min速率运行的载体气^气中，于450 'C 65(TC的催化温度下穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，催化反应 lh，得到黑色碎末状的物质；最后将该黑色碎末状物质于王水中浸泡 0.5 4h，过滤、干燥得到纯黑色碎末，此时的黑色碎末经X射线衍射检测为纯的碳纳米管。采用此种工艺制得的碳纳米管与原始催化剂的 质量比为1: 1。 实施例2:取孔隙率为65%，孔径为90um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率将甲醇蒸汽加入以5L/min速率运行的载体气^气中，于450 'C 65(TC的催化温度下穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，催化反应 12h，得到黑色碎末状的物质；最后将该黑色碎末状物质于王水中浸 泡0.5 4h，过滤、干燥得到纯黑色碎末，此时的黑色碎末经X射线衍射检测为纯的碳纳米管。采用此种工艺制得的碳纳米管与原始催化 剂的质量比为3: 1。 实施例3:取孔隙率为90%，孔径为100um的Ni3Al合金多孔材料；以1L/min 的速率将甲醇蒸汽加入以8L/min速率运行的载体气!^气中，于450 "C 65(TC的催化温度下穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，催化反应 24h，得到黑色碎末状的物质；最后将该黑色碎末状物质于王水中浸 泡0.5 4h，过滤、干燥得到纯黑色碎末，此时的黑色碎末经X射线衍 射检测为纯的碳纳米管。采用此种工艺制得的碳纳米管与原始催化剂 的质量比为7: 1。
权利要求
1. 一种采用多孔Ni3Al合金催化制备碳纳米管的方法，包括下述步骤1)、原料采用孔隙率为40％~90％，孔径为80~100um的多孔Ni3Al合金作为催化剂；采用甲醇蒸汽作为碳源；采用N2气作为载体气；2)、催化以1L/min的速率将甲醇蒸汽加入以2~8L/min速率运行的载体气N2气中，在N2气的带动下，于450℃~650℃的催化温度下穿过多孔Ni3Al合金催化剂的孔隙，碳源气在催化剂孔隙表面进行催化、分解，得到黑色碎末与催化剂粉末的混合物；催化时间为1~24小时。3)、酸洗将所得的黑色碳纳米管碎末与催化剂粉末的混合物置于王水中浸泡0.5~4小时，随后经过滤、干燥即得到纯的黑色碳纳米管碎末。
全文摘要
一种采用多孔Ni₃Al合金催化制备碳纳米管的方法，是采用多孔Ni₃Al合金作为催化剂；采用甲醇蒸汽作为碳源；采用N₂气作为载体气；于450℃~650℃的催化温度下穿过多孔Ni₃Al合金催化剂的孔隙，得到黑色碎末与催化剂粉末的混合物；酸洗后经过滤、干燥即得到纯的黑色碳纳米管碎末。本发明具有碳源气体利用率高、生产效率高、制备的碳纳米管中催化剂含量低、生产成本低的优点，适于工业化生产，可替代现有碳纳米管生产工艺。
文档编号B01J23/755GK101264882SQ200810031138
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月24日 优先权日2008年4月24日
发明者何晓宇, 咏 刘, 彬 刘 申请人:中南大学