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)現以來，以其獨特的結構特點和力學、電學特性，迅速成為材料界的研究熱點，并被廣泛地應用于氣體儲存、顯微鏡探針、場發(fā)射設備、化學傳感器及高強復合材料等方面。目前，制備SWNTs的方法主要有三種：電弧放電法、激光燒蝕法和化學氣相沉積法。但電弧放電法和激光燒蝕法所需設備復雜，極大限制了其工業(yè)化生產。而化學氣相沉積法(CVD)設備簡單，操作容易，并可實現連續(xù)化制備，是最有望實現納米碳管工業(yè)化生產的方法而倍受關注。而在C

2、VD合成單壁納米碳管的過程中，最關鍵環(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，但合成碳管的產率都不高?；诖耍疚膶煞N先進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催化劑的制備，并對單壁納米碳管合成中的各種影響因素進行了優(yōu)化。 研究結果表明煅燒過程對催化劑的活性影響很大。通過考察，對超臨界干燥的Fe/Mo/Al2O3催化劑，600℃為最佳煅燒溫度。而對于冷凍干燥的Fe/

3、Mo/MgO催化劑，煅燒卻并不利于其活性的提高。產生上述的差異主要與煅燒對催化劑顆粒度、分散性及酸堿性的改變有關。 通過一系列對比實驗對Fe/Mo/Al2O3催化劑合成單壁納米碳管的各項反應參數進行了優(yōu)化，得出最佳的生產工藝是：Fe/Mo/Al2O3的配比為1：0.15：15(摩爾比)；反應氣體：CH4/H2=750/200v/v；反應溫度：1000℃；反應時間：30min。在此工藝下合成的單壁納米碳管在粗產品中含量高達75％，

4、產率高達140.3％。 我們進一步對超臨界干燥法制備催化劑的工藝進行了改進，通過將水熱法結合進超臨界干燥工藝中，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高，達到了56％，SWNTs產率達到了118.8％。由于該法省時省力，經過進一步的工藝優(yōu)化，將是具有很大應用前景的催化劑制備方法。同時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網絡結構的坍塌就會導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，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