[发明专利]一种用催化剂制备螺旋状碳纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纤维制备技术领域，特别涉及一种用催化剂制备螺旋状碳纤维的方法。

背景技术

螺旋状碳纤维特殊的结构特征使其具有良好的弹性、强的机械性和耐冲击性等功能，在储氢、吸附、微波吸收、电学等方面有着广泛的潜在应用，是一种性能优越的新型无机功能材料。其中螺旋碳纤维、手性螺旋碳纤维和双螺旋碳纤维为典型的螺旋状碳纤维，它们在尺寸形貌、结构、性能等方面都存在一定的差异。

螺旋状碳纤维最为普遍的制备方法是催化化学气相沉积法即CCVD法。CCVD法具有设备简单、成本低和反应过程容易控制等优点。在CCVD中所使用的催化剂的活性组分通常为过渡金属Ni、Fe、Cu，或其合金(S.Yang，X.Chen，M.Kusunoki，K.Yamamoto，H.Iwanaga，Carbon 43，2005，916-922；Yong Qin，Xin Jiang.J.Phys.Chem.B 109，2005，21749-21754；Yongkui Wen，Zengmin Shen.Carbon 39，2001，2369-2386)，不同活性组分和结构的催化剂会影响生长的螺旋状碳纤维的形貌、结构、产率以及性能。因此，人们不断地积极探索螺旋碳纤维简易的制备方法以及所使用催化剂的各种制备方法对其结构与组成的影响，从而进行碳纤维材料的可控生长，以期获得高质量、性能优异的螺旋状碳纤维。

目前CCVD法制备螺旋状碳纤维大多采用金属合金或纳米金属颗粒作为催化剂，但由于存在催化剂制备成本高，金属颗粒分散度和粒径大小控制难度大等缺点，导致生长出的碳纤维粗细分布不均，严重影响了螺旋状碳纤维形貌的均匀性和产率。而且，在CCVD中通常需要同时引入硫化物或者磷化物作为辅助催化剂以改善碳纤维的生长，这不但增加了制备成本，而且还造成了环境危害，不利于螺旋状碳纤维的大规模生产。

发明内容

本发明在于提供一种用催化剂制备螺旋状碳纤维的方法，克服传统碳纤维制备成本高以及所使用传统催化剂的金属颗粒分散度和粒径大小难以控制的缺点。

制备螺旋状碳纤维的方法是直接使用水滑石作为催化剂，不用通入氢气和有毒物质，利用在反应过程中引入的乙炔分解所产生的氢原位还原水滑石的焙烧分解产物，同时原位吸附裂解中所产生的碳，直接进行碳纤维材料的生长。此过程是催化剂分解后、还原、催化、吸附同步进行，操作简便，无污染，产率较高。

层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides，简称LDHs)是一类具有层状结构的阴离子型粘土。水滑石的化学组成具有如下通式：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别为二价和三价金属阳离子，位于主体层板上；A^n-为层间阴离子；X为M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩尔比值；m为层间水分子的摩尔量。本发明结合水滑石层板组成和结构微观可调变的特点，通过设计可以向其层板引入Ni、Cu活性或助活性物种，通过尿素水热均匀沉淀法制备得到层板含一定组成的特定水滑石，并作为催化剂进行螺旋状碳纤维的生长。由于水滑石中活性物种在分子水平上高度分散和均匀分布，不但提高了催化剂的反应活性，而且可以通过控制水滑石中不同比例的金属组分来实现对螺旋状碳纤维生长的控制。

一种用催化剂制备螺旋碳纤维的方法：

将30～50mg水滑石催化剂平铺于瓷舟中，然后放入位于管式加热炉中的水平石英管，通入流速为60～70ml/min的氮气，以2～10℃/min的速率升温至500～700℃后保温20～60min，然后在此温度下通入流速为6～10ml/min的乙炔气体进行碳纤维的生长，反应1～2h，最后随炉冷却至室温得到螺旋状碳纤维。