[发明专利]一种碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料及其制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料及其制备方法。 

背景技术

纳米碳是一种新型的碳材料，在很多领域里都有潜在应用。碳纳米管也是一种纳米碳材料。自从1991年被Iijima发现碳管以来，这种具有独特的力学、热学和电学等性能的纳米材料引起了各国研究人员的极大研究热情。研究人员发现，碳纳米管除了在场效应晶体管、储氢器件、超级电容器和工程材料等方面有潜在应用外，由于其比表面积大、表面石墨化程度高和无微孔存在，它还是一种新型的碳基催化剂。研究发现，碳纳米管在乙苯氧化脱氢等催化反应中表现出较好的催化性能。然而，碳纳米管材料一般为粉末状的松散结构，在工业级反应器内不可避免地产生压力降，进而阻碍反应物种的传递、导致催化剂失活。实用纳米碳催化材料必须具备足够的力学强度、敞开的宏观结构和长期的稳定性。科研人员发现，由大量碳纳米纤维组成的线团宏观结构，具有一定的抗压强度。Van der Lee等人使用Ni/SiO₂(20wt％)催化剂，在CO/H₂混合气氛中制备了碳纳米纤维线团(van der Lee，et al.，Catalytic growth of macroscopic carbon nanofiber bodies with high bulk density and high mechanical strength，Carbon 2006，44(4)，629-637)。该碳纳米纤维线团具有较好的体积密度和抗压强度。但是，碳纳米管具有良好的石墨化结构，其力学性能一般高于碳纳米纤维，相同方法获得的碳纳米管线团密度较低，需要二次处理，这大大增加了将碳纳米管形成宏观结构的难度。同时，碳纳米管线团结构在液相反应中还会面临分离的困难。 

多孔结构材料是一种优异的结构载体材料，它具有优异的力学强度和开放的大孔通道。将碳纳米管和这种多孔结构载体组装成一种新型的结构复合材料，有望实现碳纳米管在催化领域里的工业应用。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料及其制备方法，本发明提供的复合材料实现了碳纳米管从微观到宏观的跨度，同时该复合材料具有较好的力学强度，能够抵抗催化反应器中的压力降，避免了松散的碳管在强度方面的不足，这对于碳纳米管在催化工业中的应用具有重要的研究意义。 

本发明的技术方案是： 

一种碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料，碳纳米管均匀负载在载有Fe-Mg-Al复合催化剂的碳化硅载体的表面，并将其表面覆盖，所述碳纳米管相互缠绕成网状结构。 

所述碳纳米管的负载量为材料总质量的0.6～10％，Fe-Mg-Al复合催化剂的负载量为材料总质量的1～10％；碳纳米管平均长度为1～200μm，平均直径为20～40nm。 

所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种。 

上述碳纳米管/泡沫碳化硅催化复合材料的制备方法，包括以下步骤： 

(1)对泡沫碳化硅进行预处理； 

(2)采用共沉淀法对预处理后的泡沫碳化硅加载Fe-Mg-Al复合催化剂； 

(3)采用化学气相沉积的方法，使载有催化剂的泡沫碳化硅表面原位生长出碳纳米管。

对泡沫碳化硅进行预处理的工艺过程：将泡沫碳化硅先后分别放入丙酮、乙醇溶液中，各超声清洗20～60min；再放入去离子水中清洗，去除泡沫碳化硅表面的杂质；然后在70～100℃下干燥16～24h，收集得到预处理的泡沫碳化硅载体。 

泡沫碳化硅表面加载催化剂的工艺过程： 

(a)将硝酸铁、硝酸镁、硝酸铝、尿素和去离子水放入三口烧瓶中，搅拌成溶液； 

(b)将步骤(1)中预处理的泡沫碳化硅载体放入上述三口烧瓶中的溶液；其中，硝酸铁、硝酸镁、硝酸铝、尿素、去离子水和泡沫碳化硅的重量比例为(0.2～6)∶(0.1～15)∶(2～12)∶(10～100)∶(150～500)∶(1～40)； 

(c)将(b)中三口烧瓶放入油浴锅中，以20～50rpm的转速进行搅拌，90～120℃恒温回流反应2～12h，然后停止搅拌，再将温度调至100℃，恒温4～20h； 

(d)降至室温后，取出反应后的泡沫碳化硅，放入烘箱中于70～100℃下恒温干燥12～20h，得到载有催化剂的泡沫碳化硅。