[发明专利]碳质纳米材料合成前保持催化剂粒子纳米结构的方法

说明书

发明人：

PRADHAN，Bhabendra(巴本德朗·普拉丹)，360Bloombridge Way N.W.，Marietta，Georgia 30066US，印度公民；

ANDERSON，Paul，E.(保罗·E·安德森)，4722 Jamerson Forest Circle，Marietta，Georgia 30066US，美国公民；

MILLER，Matthew(马修斯·米勒)，1820Timberlake Drive， Kennesaw，Georgia，30144US，美国公民；和

HICKINGBOTTOM，Danny(丹尼·希金博顿)，5794 Stonehaven Drive，Kennesaw，Georgia 30144US，美国公民。

受让人：COLUMBIAN CHEMICALS COMPANY(a Delaware corporation)(哥伦比亚化学公司(特拉华州有限公司))

相关申请的交叉引用

要求2004年12月2日提交的序号为11/002,388的美国专利申请 的优先权。

本文将2004年12月2日提交的序号为11/002,388的美国专利申 引入作为参考。

关于联邦政府赞助的研究或开发的声明

无

参考“微缩胶片附录”

无

发明背景

1.发明领域

本发明涉及了碳质纳米材料合成。更特别地，本发明涉及了用于 碳质纳米材料合成的改良催化剂的方法，该改良的催化剂不需要长的 预还原时间和钝化并且其还保持了初始的催化剂粒子大小。

2.发明一般背景

在合成碳纳米纤维的现有技术水平中，需要在氢气下将通常为金 属氧化物或混合的金属氧化物的催化剂预还原约20小时。随后用2-5％ 氧气进行钝化(以在金属核上产生薄的该金属氧化物覆盖层)。这些步 骤非常耗时，由于它们需要21-24小时，在这段期间催化剂粒子易于 烧结，导致难以控制完成后的催化剂粒子大小和所得到的碳纤维直径。 在这种常规的现有技术方法中，第一步是在10-20％H₂下，在600℃ 时，将金属氧化物还原20小时。随后在2-5％氧气下，在室温中钝化 1小时。

在当前的技术方法水平中，通过例如将0.3g.wt.的氧化铁放入反 应器内来制备用于合成碳纤维的钝化的催化剂，其中该氧化铁在 600℃下被10％氢气(余量为氮气)还原20小时。在相同的气体混合物 或仅在N₂下，将所得到的产物冷却至室温，然后使用2％氧气(余量为 氮气)钝化1小时。该钝化的催化剂的最终重量为0.195g。在10％氢 气下，将该钝化的催化剂加热至600℃并持续2小时。然后将一氧化 碳和氢的混和物(4∶1摩尔)以200sccm的速率通过该催化剂以产生如 图3所示的碳纳米纤维。该碳生产率为每小时每g催化剂生产6g碳。

发明的简要概述

在本发明的方法中，产生了不需要任何长的预还原时间和钝化的 改良催化剂。在该新方法中，在20％H₂气下，在反应器中将金属氧化 物催化剂前体以5℃/分的速率加热至450℃；然后持续30分钟，再暴 露于10-20％CO中30分钟；然后冷却至室温。所得催化剂包含足以 提供钝化但不足以造成包封的碳质层，该包封可导致用于进一步应用 的催化剂失活。然后该催化剂被用于在550℃至600℃下由含碳的前 体和氢的混合物合成碳纤维。

可以预见，当与气动式催化剂和产物传送装置结合时，制备本发 明所述催化剂所需要的时间的减少有利于在反应器中进行连续的、重 复的催化剂制备和碳纤维合成操作，因而避免了与常规的分批处理相 关的中断。

本申请中所有的气体成分百分比为体积百分比。

出于支持本申请的目的，术语“碳质纳米材料”和“碳质纳米纤 维”可互换使用并具有同等含义。

因此，本发明的主要目的是产生用于碳纳米纤维合成的催化剂， 该催化剂不需要长的预还原时间和钝化；

本发明的另一个目的是产生用于碳纳米纤维合成的催化剂，该催 化剂改进了该纳米纤维产物的收率；

本发明的另一个目的是产生用于碳纳米纤维合成的催化剂，该催 化剂提供了优良的反应活性；