[发明专利]负载型催化剂及其生产方法和使用该负载型催化剂制造的碳纳米结构的二级结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种负载型催化剂、用于制备该负载型催化剂的方法和使用该负载型催化剂生产的碳纳米结构的二级结构。

背景技术

碳纳米结构(CNS)共同指具有各种形状的纳米尺寸的碳结构，如纳米管、纳米绒毛、富勒烯、纳米锥、纳米角和纳米棒。碳纳米结构由于其具有优异的特性而能够被广泛用于各种技术应用。

碳纳米管(CNT)是由以六边型图案排列的碳原子组成的管状物质，并且具有大约1至100nm的直径。碳纳米管根据它们的固有手性显示出绝缘、导电或半导体性能。碳纳米管具有碳原子彼此牢固地共价结合的结构。由于该结构，碳纳米管具有钢的大约100倍拉伸强度、是高度挠性和弹性的，并且是化学稳定的。

碳纳米管被分为三种类型：由单片组成且具有大约1nm直径的单壁碳纳米管(SWCNT)；由两片组成且具有大约1.4至大约3nm直径的双壁碳纳米管；以及由三片以上组成且具有大约5至大约100nm直径的多壁碳纳米管。

碳纳米管由于它们的高的化学稳定性、挠曲性和弹性，正在研究它们在各种工业领域(例如，航空航天、燃料电池、复合材料、生物技术、制药、电力/电子和半导体工业)中的商业化和应用。但是，碳纳米管由于它的一级结构，在将直径和长度直接控制至用于实际使用的工业适用的尺寸具有局限。因此，尽管它的优异的物理性能，仍限制了所述碳纳米管的工业应用和使用。

已经进行尝试来进一步使作为结构加固物和化学功能结构的碳纳米结构(如，碳纳米管)的作用多样化。例如，已经使用其中在平板上共同形成碳纳米结构的一级结构并经过纺丝而物理生长的方法[Zhang,X.；Li,Q.；Tu,Y.；Li,Y.；Coulter,J.Y.；Zheng,L.；Zhao,Y.；Jia,Q.；Peterson,D.E.；Zhu,Y.Small,2007,3,244]。但是，该方法需要在平板上生长之后进行的二次纺丝工艺，导致极低生产率。由该方法生产的碳纳米管纱线具有板状增长的多层结构[Adv.Mater.Vol.22,2010,页码692-696(2009年11月24日)]。

一旦使用常规碳纳米结构形成的二级结构有优异的化学稳定性、弹性和挠曲性，则期望发现它们的多种应用。需要在各种实验条件(如催化剂、碳源混合的气体、反应温度、时间和添加剂)下的研究来以有效的方式大量生产具有各种形状的碳纳米结构的二级结构。

特别地，制备催化剂的方法大体上能够分为浸渍法、沉淀法和离子交换法。所述浸渍能够根据如何接触活性物质而被分类为喷雾法、蒸发干燥法、初润浸渍(incipient wetness impregnation)和吸附法。

根据沉淀法，向活性组分的水溶液中加入沉淀剂。根据何种组分被沉淀，离子产品的浓度可以大于产品的溶解性。在此情况下，形成沉淀核并增长以得到沉淀物。通过所述方法制备的催化剂可以被分为负载型催化剂和非负载型催化剂。所述负载型催化剂可通过多种方法制备，例如，其中负载的组分同时从溶液中沉淀出的共沉淀法，其中催化活性组分的沉淀与载体混合的方法，以及其中将载体浸渍到催化组分的溶液中并向其中加入沉淀剂溶液来沉淀所述催化组分的方法。所述非负载型催化剂通过使催化活性组分的水溶液和沉淀剂溶液接触来以沉淀物(如氢氧化物和碳酸盐)的形式制备。可以使用两种或多种催化活性组分。在此情况下，可以同时沉淀所述催化活性组分，并且任选地，可以机械地混合所述沉淀物来制备催化剂。

根据离子交换的方法，通过离子交换来负载阳离子形式的活性组分。所述离子交换法被典型地用来在作为载体的沸石、硅石或二氧化硅-氧化铝上负载金属离子。所述离子交换法的优势在于非常均匀地分布活性物质。的金属的前体与所述载体的相互作用是强烈的，并且离子交换的程度取决于载体组分和溶液的pH。通常，离子交换反应在两个连续的阶段中进行，即，离子扩散和离子交换阶段。因此，当载体的孔径小时，总离子交换率取决于扩散率。如果在水溶液中交换的离子量小于在载体上存在的交换位点，仅在载体的外部交换离子，使其不可能获得均匀的分布。因此，在此情况下，需要长期浸渍，并且离子交换物质应当经过洗涤、干燥和煅烧。进行所述洗涤来移除在离子交换期间残留在所述载体中的杂质。在所述干燥期间，由于在所述金属前体和所述载体之间的强相互作用，催化剂基本保持不变。在所述煅烧期间，非常缓慢地烧结所述金属，但是煅烧条件影响终催化剂。

由于它们能够增加碳纳米结构(包括碳纳米管)的产率或更有效地控制碳纳米结构的结构，催化剂正在被越来越多地研究。

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