[发明专利]用于合成多壁碳纳米管的负载型催化剂及其制备方法、以及多壁碳纳米管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于合成多壁碳纳米管的负载型催化剂和用于制备纳米管的方法。 

背景技术

由Iijima于1991年发现的碳纳米管具有一个碳原子与三个其他相邻碳原子连接的六边形蜂巢结构。这种六边形结构重复并卷成圆筒状或管状形式。 

碳纳米管具有优异的机械特性、电选择性和场发射性能，并计划用于聚合物复合材料。因此，由于他们的发现，碳纳米管已经成为专注于其工业和商业应用开发的多种出版物和研究努力的主题。 

可以使用各种工艺制造碳纳米管，如电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法等。根据碳纳米管的形状，可以将它们分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、以及多壁碳纳米管。然而，这些多种合成方法可能较昂贵，并且在以高产量生产高纯度碳纳米管方面可能受到限制。 

碳纳米管可以与工程塑料一同使用以形成具有多种性质（例如电磁波屏蔽、抗静电性质、和电导性）的复合材料。小量的碳纳米管可以用于提供电导性，但结果可能取决于工艺条件、使用的树脂和使用的碳纳米管的电特性。 

总体上，多壁碳纳米管用于塑料复合材料的应用。然而，由于无定形碳或在合成过程中形成的表面缺陷，多壁纳米管可能具有较差的电性能。因此，包括碳纳米管的复合材料可能不具有希望的电性能。 

因此，改善碳纳米管表面的结晶度可能是重要的。一种方法使用高温处理重排碳原子的六边形结构以改善碳纳米管的表面结晶度。然而，因为在碳纳米管合成之后需要一个额外的过程，这种方法增加了制造成本。为高热处理选择合成条件可能也是困难的。此外，生产率可能被损害。 

发明内容

本发明的发明人已经开发出一种用于合成碳纳米管的新型负载型催化剂。所述负载型催化剂可以改善碳纳米管的表面特性。本发明进一步提供了使用所述负载型催化剂合成的多壁碳纳米管。所述多壁碳纳米管可以具有改进的性质，如表面结晶度、导电性和生产的产量。 

在示例性实施方式中，用于合成多壁碳纳米管的负载型催化剂包括载体以及负载于所述载体上的金属催化剂，其中所述金属催化剂以根据以下等式（1）的摩尔比包括铁（Fe）、钴（Co）、和锰（Mn）： 

Fe:Co:Mn=1:x:y(1)， 

其中x和y为摩尔比，并且2.0≤x≤4.0和0.01≤y≤5.0。 

在其他示例性实施方式中，用于合成多壁碳纳米管的负载型催化剂包括载体以及负载于所述载体上的金属催化剂，其中所述金属催化剂以根据以下等式（2）的摩尔比包括Fe、Co、Mn、和钼（Mo）： 

Fe:Co:Mn:Mo=1:x:y:z(2)， 

其中x、y和z为摩尔比，并且2.0≤x≤4.0，0.01≤y≤5.0和0≤z≤2.0。 

上述等式（1）和等式（2）的负载型催化剂可以包括包含水合物形式的Fe、Co和Mn的金属催化剂。 

载体可以包括矾土（氧化铝，Al₂O₃）、氧化镁（MgO）、硅石（二氧化硅，SiO₂）及它们的组合。 

在示例性实施方式中，用于合成多壁碳纳米管的负载型催化剂包括载体以及负载于所述载体上的金属催化剂，所述金属催化剂以根据以下等式（3）的摩尔比包括Fe、Co、Mn、Mo、和钒（V）： 

(Fe,Co,Mn)x(Mo,V)y(Al₂O₃,MgO,SiO₂)z(3)， 

其中x、y和z为摩尔比，并且1≤x≤10，0≤y≤5，和1≤z≤20。 

如本文中使用的，“(Fe,Co,Mn)”是指选自Fe、Co和Mn的至少一种催化剂；“(Mo,V)”是指选自Mo和V的至少一种催化剂；并且“(Al₂O₃,MgO,SiO₂)”是指选自Al₂O₃、MgO和SiO₂的至少一种载体材料。 

前述等式（3）中的载体材料的实例包括，但不限于，氧化铝（Al₂O₃）、氧化镁（MgO）、二氧化硅（SiO₂）、和它们的组合。 

根据本发明的负载型催化剂可以为固体球形结构，并且可以具有20至100μm的平均直径以及0至0.2的平整度比率。