利用水热合成共沉淀法制备的催化剂及利用其制备的碳纳米管的制作方法

本申请主张基于2015年03月04日的韩国专利申请第10-2015-0030376号的优先权的权益，上述韩国专利申请文献公开的所有内容包含在本说明书中，并作为本说明书的一部分。

本发明涉及一种利用水热合成共沉淀法的催化剂及利用其制备的碳纳米管，并且涉及一种因没有烧成步骤而可以制备小直径的碳纳米管，并且可以缩短制备时间的催化剂以及利用其制备的碳纳米管。

背景技术：

一般，碳纳米管(以下，称为“CNT”)是指，具有大概3nm至150nm直径的圆筒形碳管，具体是指，具有3nm至100nm直径，且长度为直径的数倍，例如，长度为直径的100倍以上的圆筒形碳管。这种CNT以整列的碳原子层而形成，具有不同形态的芯。并且，这种CNT还被称为碳纤丝或中空碳纤维。

另一方面，由于这种CNT自身具有出色的电性、电导率和物理强度，因此在复合材料的制备产业具有重要的可利用性，并在电子材料领域、能源材料领域及其他各种领域具有高的可利用性。

但是，CNT以条的形态存在，但是，基于纳米级别的小的直径的条之间的高的范德瓦耳斯相互作用(Van der Waals interaction)和催化剂支撑体，通过金属的还原来使CNT生长，并以催化剂支撑体为中心，由CNT形成凝聚体。但是，为了表现碳纳米管出色的物性，应分散为各个条状的CNT，目前有关CNT应用的最大障碍是CNT的分散性。

CNT的分散性与CNT的凝聚体的结构有关，凝聚体的结构大致分为纠缠(Entangle)形和捆绑(Bundle)形。

由于纠缠形的CNT没有方向性并曲扭，因而具有球形或土豆(potato)形状，并且具有高体积密度(bulk density)。纠缠形能够制备高收率的CNT，流动层工序简单，从而能够制备廉价的CNT，与此相反，由于CNT呈严重曲扭的状态，因此分散性不好。

与此相反，在捆绑形的情况下，CNT具有方向性并形成集合体，从而具有蛹形态或杆形态，且体积密度低。在捆绑形的情况下，大体上由于体积密度低，因此CNT生产率低，因不稳定的工序条件而导致难以生产廉价的CNT，但相反地，相比于纠缠形，由于CNT的分散性好，CNT条的曲扭少，因此结晶性高，分撒后CNT的残留长度长，当CNT在高分子等中用作为导电性添加剂时显示出优秀的性能等特征。

CNT的另一个重要物性为CNT的直径和长度，为了在产品中显示较高的效果，应采用小直径的CNT。由于每重量的CNT的CNT条的数量多，因此有利于一维条网络(Network)的形成，并且与高分子或金属基质(matrix)的接触面积增加，因此CNT的效果更佳。关于CNT的长度，重要的是CNT的高分子或金属基质内的CNT的分散后的残留长度，其具有CNT的长度越长，CNT的分散后的残留长度变长的倾向。CNT的分散后的残留长度越长，有利于CNT一维条网络的形成，使电子的利用通道顺畅，从而实现高的电气特性，因与基质的高的相互作用，物理强度增加。因此，在物理方面，均匀的捆绑形态的直径小且长度长的CNT更为有利。

技术实现要素：

技术问题

本发明要解决的技术问题在于，提供直径小且长度长的均匀的捆绑形CNT的制备方法。

本发明要解决的另一技术问题在于，提供可以调节捆绑形CNT的捆绑大小及CNT收率、CNT的直径的方法。

技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的催化剂的制备方法：上述催化剂的制备方法包括：将催化剂成分的金属盐、活性成分的金属盐及共沉淀剂加入到水类溶剂来获得含有共沉淀剂的金属盐水溶液的步骤；通过在120℃至200℃的温度下加热上述含有共沉淀剂的金属盐水溶液的水热合成共沉淀工序来获得共沉淀的浆料的步骤；以及对上述浆料进行过滤及干燥的步骤。

为了解决上述再一技术问题，本发明提供通过上述制备方法获得的CNT制备用催化剂。

为了解决上述另一技术问题，本发明提供如下的碳纳米管的制备方法：上述碳纳米管的制备方法包括：将上述CNT制备用催化剂投入到反应器内部的步骤；在500℃至900℃的温度下，向反应器内部注入供碳源或上述供碳源和氢气及氮气的混合气体的步骤；以及通过在上述浸涂催化剂表面上注入的供碳源的分解来使CNT成长的步骤。

为了解决又一技术问题，本发明提供通过上述制备方法获得的CNT。

利用本发明的水热合成法的催化剂的制备方法，由于不包括烧成步骤，因此有助于小直径CNT的制备，通过CNT反应条件等的调节，形成均匀的捆绑并且可以获得直径小、长度长的CNT。并且，可以在短时间内进行调节，从而提供经济性得到改善的效果。

附图说明

图1至图3分别示出在比较例1至比较例3中得到的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。

图4至图7示出在实施例1中得到的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。

图8至图11示出在实施例2中得到的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。

图12至图14分别示出在比较例4至比较例6中得到的CNT的扫描电子显微镜图像。

图15及图16示出在实施例3中得到的CNT的扫描电子显微镜图像。

图17至图19示出在实施例4中得到的CNT的扫描电子显微镜图像。

具体实施方式

在本说明书及发明要求保护范围中使用的术语或单词不能限定解释为通常或字典上的含义，发明人为了通过最优选的方法说明自身的说明，基于可以适当的定义术语概念的原则，从而应解释为符合本发明的技术思想的含义和概念。

以下，对本发明进行详细说明。

CNT的集合形态取决于催化剂的体积形态，在具有板状的催化剂结构的情况下，CNT向垂直于板状的方向成长，从而CNT形成捆绑形。因此，本发明提供具有通过很好地进行定义的板状形态的捆绑形CNT制备用催化剂。

虽然已公开有多种用于制备CNT的催化剂的制备方法，但是，在使用化学气相沉积法的情况下，已公开的代表性的有共沉淀法和浸渍法。

浸渍法是指，对于可以用作为具有微细气孔的浸涂体的浸涂体和金属盐水溶液进行混合之后，通过过滤或喷雾干燥等的过程来得到粉末形态的催化剂前体的方法。如上所述，通过浸渍法得到的粉末形态的催化剂前体也经过热氧化或还原过程来得到CNT制备用催化剂。

共沉淀法是指，将金属盐溶解为水溶液状态后，调节pH或温度，来诱导金属盐之间的沉淀，并对由此得到的沉淀液进行过滤干燥或喷雾干燥等的过程来得到粉末形态的催化剂前体的方法。由此得到的粉末形态的催化剂前体经过热氧化或还原过程等的工序来得到CNT制备用催化剂。

在通过一般的共沉淀法得到的CNT制备用催化剂的情况下，根据共沉淀剂的种类，共沉淀催化剂的第一次粒子形态有所不同，例如，在共沉淀剂为氢氧化钠的情况下，因急剧的pH变化而形成沉淀并形成圆形形态的凝聚体，例如，在将尿素用作为共沉淀剂的情况下，具有板状形态。

但是，例如，在一般的共沉淀法中，将尿素用作为共沉淀剂的情况下，尿素在80℃以上的温度下经过热分解而形成铵离子(ammoniumion)，由此形成沉淀，但由于存在铵离子在80℃以上的高温下进行挥发的问题，因此沉淀形成速度非常慢，导致在制备具有均匀的板状结构的共沉淀催化剂时存在局限性。因此，由此得到的CNT存在出现部分纠缠形态和捆绑形态相混合的形态的问题。并且，若根据以往的方法，由于制备催化剂所需的时间在24小时以上，因此生产率低下。

本发明提出导入利用封闭反应系统(closed reaction system)的水热合成来有效地制备均匀形态的板状催化剂的方法。

并且，在本发明中，通过调节板状催化剂的厚度及大小，可以控制利用其来制备的CNT的捆绑大小、CNT的收率以及CNT的直径。

根据本发明一实施方式的催化剂通过利用水热合成共沉淀法并可以由以下方法制备。

上述制备方法包括：

将催化剂成分的金属盐、活性成分的金属盐及共沉淀剂加入到水类溶剂来获得含有共沉淀剂的金属盐水溶液的步骤；

通过在120℃至200℃的温度下加热上述含有共沉淀剂的金属盐水溶液的水热合成共沉淀工序来获得共沉淀的浆料的步骤；以及

对上述浆料进行过滤及干燥的步骤。

根据本发明的共沉淀催化剂的制备方法，其特征在于，与以往的共沉淀法不同，利用水热合成共沉淀法。即，在以往的共沉淀法中包括：加热金属水溶液之后，投入共沉淀剂来形成浆料形状的沉淀物的步骤，但在本发明中，将执行催化剂作用的金属成分和共沉淀剂同时投入到水类溶剂后，在更高的温度下对其进行加热来形成浆料形状的沉淀物。

根据一实施方式的制备方法，上述水热合成共沉淀工序通过在120℃至200℃、或者120℃至180℃的温度下对含有共沉淀剂的金属水溶液进行加热约1小时至约10小时、或者约1小时至约5小时、或者约2小时至4小时的步骤而成，在如上所述的范围中，可以对CNT的制备形成更有效的共沉淀催化剂，若上述反应时间过长，则催化剂的厚度增加，从而存在所生成的催化剂的数量减少的忧虑；若上述反应时间过短，则无法得到充分的催化剂收率。

作为用于上述共沉淀催化剂的共沉淀剂，只要是本领域中使用的就没有使用上的限制，例如，可以使用氢氧化铵(NH₄OH)、碳酸铵((NH₄)₂CO₃)、重碳酸铵(NH₄HCO₃)、尿素等中的一种以上，优选地，可以使用尿素。通过这些可以诱导上述金属盐的共沉淀。

在上述水热合成共沉淀工序中，共沉淀可以由成批式或连续式执行。并且，改善共沉淀特性，为了所制备的催化剂的表面改性，可以添加表面-活性物质，例如，可以添加离子性或者非离子性乳化剂或者羧酸。

在上述制备方法中，含有共沉淀剂的金属盐水溶液可以将共沉淀剂和金属盐投入到水类溶剂来形成，此时，水类溶剂可以包括水，或水和低级乙醇的混合溶剂。作为上述水类溶剂，优选为水。

作为投入于上述水类溶剂的金属盐，可以使用催化剂成分的金属盐和活性成分的金属盐，可以例示醋酸盐、亚硝酸盐、卤化物(例如，氯化物或溴化物)或其他可溶性化合物形态。

作为上述催化剂成分，可以使用选自铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等中的一种以上，优选为铁及钴。这些活性成分残留在共沉淀催化剂内，来执行主催化剂的作用。

作为上述活性成分，可以使用选自镁(Mg)、铝(Al)、钼(Mo)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)等中的一种以上，优选为铝及镁。这些活性成分执行承载体及助催化剂的作用。

上述催化剂成分及活性成分的重量比可以为1:0.5至1:10，在这种含量范围中，可以显示更佳的CNT制备活性。

上述催化剂成分和活性成分的金属盐不限于此，在上述金属水溶液中，能够以其前体浓度为0.05g/ml至0.5g/ml的含量包含在内。

上述共沉淀剂在含有上述共沉淀剂的金属水溶液中，能够以相对于金属元素含量约0.3至2当量的范围使用。在如上所述的范围中，可以诱导充分的共沉淀。

对包含如上所述的共沉淀剂的金属水溶液，可进行水热合成共沉淀处理来获得共沉淀的浆料，并对其进行分离及干燥来制备共沉淀催化剂。上述浆料的分离工序，可以通过公知的方法，例如，过滤、离心分离、蒸发及浓缩来进行分离，其中，优选为离心分离及过滤工序。经过分离的共沉淀催化剂能够以进一步清洗的状态使用或者以分离的状态直接使用。为了改善所获得的共沉淀催化剂的操作性，还可以包括对其进行干燥的步骤。在干燥工序之后，还可以包括将干燥物粉碎成更小的粒子的工序。

通过上述制备方法来获得的共沉淀催化剂，根据需要还可以包括调节工序。这种调节工序用于改善催化剂特性，除了烧成及热处理工序之外，还可以包括水蒸气处理等。例如，在300℃至1200℃的温度及氧化气氛下，可以对在上述工序中获得的共沉淀催化剂进行热处理。这些调节工序可以在共沉淀催化剂的形状化和/或分级之前或之后执行。

通过上述制备方法获得的共沉淀催化剂可以具有各种形态，例如，可以具有板状结构。在本发明中使用的术语“板状”是指，具有预定厚度的平面结构的小块。例如，上述板状结构的共沉淀催化剂可以具有1nm至20nm的厚度，大体上，板状直径的范围可以是0.5μm至5μm，对于其形态，可以具有多少不规定的形态，例如，瘪陷的四角或圆形状。在四角或不规则形态的情况下，直径是指外接圆的直径。

根据一实施方式，在上述催化剂制备工序中，共沉淀剂的含量越高，具有上述板状结构体的大小减小的倾向，催化剂的数量随之增加，因此在将其作为CNT合成用共沉淀催化剂的情况下，可以增加收率、增加比表面积、捆绑形状的大小则减小。

如上所述的本发明的沉淀催化剂可以用作为碳纳米结构体，例如，可以用作为CNT合成用。

通过利用上述方法而获得的共沉淀催化剂来制备CNT的制备工序包括下列步骤，但并不局限于此。

将根据上述本发明的共沉淀催化剂投入到反应器的内部，并在约500℃至900℃的温度下，向反应器内部注入供碳源或上述供碳源和氢气和氮气或它们的混合气体的步骤；以及对在上述催化剂表面上分解所注入的供碳源来使CNT成长的步骤。

根据一实施方式，作为上述反应器可以无限制的使用固定层反应器或流动层反应器。

在上述CNT制备工序中，作为上述反应器的反应温度，其温度范围可以是约500℃至900℃或约600℃至800℃，在CNT生成收率方面，优选地，其温度范围可以是约600℃至700℃。如下列实施例中的明示，上述反应温度越高，CNT生成收率越会增加，同时比表面积则会减少，从而可以使CNT的直径增加。

并且，在上述CNT制备工序中，上述反应器内的反应时间范围可以是约0.5小时至10小时或1小时至5小时。如下列实施例所述，在1小时至2小时的反应时间内，CNT的比表面积类似，但是，若反应时间超过4小时，则CNT的比表面积减少。因此，在随着上述反应温度越高，使反应时间更长的情况下，由于发生非晶态碳的涂敷，由此可以使CNT的直径增加。

因此，为了在上述CNT制备工序中获得比表面积更大的小直径CNT，优选地，减少反应器的反应时间或减少反应温度。

作为通过上述制备方法得到的本发明的CNT的一例，可以是体积密度(bulk density)为10kg/m³至50kg/m³的捆绑式(bundle type)。

在本发明中使用的术语“体积密度”由以下公式1定义，根据使用通过水热合成法生成的共沉淀催化剂，通过其进行生长的CNT的密度分布也可以具有特定范围。

[公式1]

体积密度＝CNT重量(kg)/CNT体积(m³)

并且，通过上述制备方法来获得的CNT可以满足粒径或平均粒径50μm至800μm以及其CNT的条直径可以满足1nm至50nm。

本发明的CNT可在电气领域、电子领域、能源领域等领域中用作为原料，并且在塑料领域中，可以用作为加固材料等。

以下，为了帮助理解本发明而示出了实施例，但以下实施例仅用于例示，对于本发明所属领域的普通技术人员而言，可以在本发明的范畴及技术思想范围内进行各种变更及修改，这是显而易见的，这种变形及修改属于附加的专利权利要求书，这也是理所当然的。

比较例1

在250mL的烧杯中投入5.05g的Fe(NO₃)₂·9H₂O、1.45g的Co(NO₃)₂·6H₂O、9.325g的Al(NO₃)₃·9H₂O、11.4g的Mg(NO₃)₂·6H₂O、150mL的蒸馏水，并进行搅拌来准备金属盐水溶液之后，将其加热至80℃的温度。接着，混合搅拌溶解于10mL的蒸馏水的NaOH水溶液和上述金属盐水溶液，以使NaOH水溶液相对于硝酸盐基的当量比为0.82并慢慢进行滴落。在投入NaOH溶液之后，在80℃的温度下搅拌18小时来获得沉淀液。在反应结束之后，在常温下进行冷却，并对所获得的沉淀液进行过滤，并在120℃的烘箱中干燥24小时来获得催化剂粉末。

比较例2

除了在上述比较例1中，代替NaOH使用NaHCO₃，并将加热温度从80℃变更为110℃之外，执行与上述比较例1相同的工序来获得共沉淀催化剂。

比较例3

除了在上述比较例1中，用尿酸来代替NaOH，使尿素与硝酸盐基的当量比达到0.87，并将加热温度从80℃变更为110℃之外，执行与上述比较例1相同的工序来获得共沉淀催化剂。

在图1至图3中分别示出通过上述比较例1至比较例3获得的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。参照附图可知，根据共沉淀剂的种类，共沉淀催化剂的第一次粒子的形状不同。即，在将NaOH用作为共沉淀剂的情况下，具有圆形形态的凝聚体形状，在尿素的情况下，显示板状形态，但无法显示完全的板状结构。

实施例1：共沉淀催化剂的制备

在250mL的烧杯中，投入5.05g的Fe(NO₃)₂·9H₂O、1.45g的Co(NO₃)₂·6H₂O、9.325g的Al(NO₃)₃·9H₂O、11.4g的Mg(NO₃)₂·6H₂O、150mL的蒸馏水之后，将尿素的量与硝酸盐离子的总量的当量比固定为1.34并投入，接着进行搅拌来准备金属盐水溶液。在150℃温度下，在下表1记载的时间期间内，对上述金属盐水溶液进行水热合成来获得了沉淀液。对所获得的沉淀液进行过滤，并在120℃的烘箱中干燥24小时后获得了共沉淀催化剂。

[表1]

在图4、图5、图6及图7中分别示出通过上述实施例1-2、实施例1-4、实施例1-6及实施例1-7中获得的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。参照附图可知，水热反应时间越增加，上述共沉淀催化剂的板状结构体的厚度越增加。

实施例2：共沉淀催化剂的制备

除了在上述实施例1-1中，如下表2的记载，对尿素的含量进行各种改变之外，执行与上述实施例1-1相同的工序(水热合成时间为3小时)来制备共沉淀催化剂。

[表2]

在图8、图9、图10及图11中分别示出了通过上述实施例2-1、实施例2-2、实施例2-3及实施例2-5来获得的共沉淀催化剂的扫描电子显微镜图像。参照附图，尿素的量在0.47的情况下，催化剂不是以独立的板状的形态存在，而是以花样形状，以板状凝聚的形态存在。在尿素的含量增加到0.63的情况下，催化剂具有花样形状与独立的板状形态相混合的形态，独立的板状直径的大小为3μm左右。对于根据尿素含量的催化剂板状直径的大小进行观察可知，尿素的含量越增加，上述共沉淀催化剂的板状大小越减小，催化剂的数量随之增加。

比较例4至比较例6：CNT的制备

利用在上述比较例1至比较例3中制备的共沉淀催化剂，在实验室规模的固定层反应装置中进行了CNT合成实验。具体地，将在上述工序中制备的共沉淀催化剂放置于具有55mm直径的内径的石英管的中间部之后，在氮气气氛下，升温至660℃并维持，将乙烯作为供碳源，使氮气及氢气(体积比1﹕1)以60sccm的流速流动并合成2小时来合成了预定量的CNT凝聚体。在下表3中记载了此时的CNT收率。

[表3]

在图12、图13及图14中示出了通过上述比较例4、比较例5及比较例6获得的CNT的扫描电子显微镜图像。参照附图可知，在使用上述比较例1至比较例3中获得的共沉淀催化剂来制备CNT的情况下，所生成的CNT大部分具有纠缠形态，随着在比较例3获得的共沉淀催化剂具有部分板状的形态，由此获得的CNT混合有部分捆绑形状。

实施例3：CNT的制备

利用在上述实施例1-2至实施例1-7中制备的共沉淀催化剂，在实验室规模的固定层反应装置中进行了CNT合成实验。具体地，将在上述工序中制备的共沉淀催化剂放置于具有55mm直径的内径的石英管的中间部之后，在氮气气氛下，升温至660℃并维持，将乙烯作为供碳源，使氮气及氢气(体积比1﹕1)以60sccm的流速流动，并合成2小时来合成预定量的CNT凝聚体。在下表4中记载了此时的CNT收率，并在图15及图16中示出了通过实施例3-5及实施例3-6获得的CNT的扫描电子显微镜图像。

[表4]

通过上述表4、图15及图16可知，当制备共沉淀催化剂时，随着水热反应时间增加，在使用其来合成CNT的情况下，收率减少、比表面积减少。其原因在于，在共沉淀催化剂的水热反应时间增加的情况下，由于催化剂的板状厚度增加，因此催化剂数量减少。

从上述结果可知，共沉淀催化剂的水热反应时间优选为约3小时左右。

实施例4：CNT的制备

利用在上述实施例2-3、实施例2-4、实施例2-5及实施例2-6中制备的共沉淀催化剂，在实验室规模的固定层反应层中进行了CNT合成实验。具体地，将在上述工序中制备的共沉淀催化剂放置于具有55mm直径的内径的石英管的中间部之后，在氮气气氛下，升温至660℃并维持，将乙烯作为供碳源，使氮气及氢气(体积比1﹕1)以60sccm的流速流动，并合成2小时来合成预定量的CNT凝聚体。在下表5中记载了此时的CNT收率及BET比表面积，并分别在图17及图19中示出了通过实施例4-1、实施例4-2及实施例4-4获得的CNT的扫描电子显微镜图像。

[表5]

通过上述表5、图17至图19可知，随着制备共沉淀催化剂时的尿素含量增加，在使用其来合成CNT的情况下，收率增加，比表面积增加，且捆绑大小减小。其原因在于，在共沉淀催化剂的尿素含量增加的情况下，由于催化剂的板状厚度减少，因此催化剂数量增加。