[发明专利]一种将CO2转换为表面富含含氧基团的碳纳米管的方法

说明书

本发明设计了一种将CO₂转换为表面富含含氧基团的碳纳米管的方法，提高了碳纳米管在水等溶剂中的溶解性，避免了氧化性酸热回流等复杂处理，这有利于其进一步的应用。本发明以CO₂与H₂为反应的原料气，以在350℃‑550℃下焙烧的Ni‑Fe/Al₂O₃催化剂为反应的催化剂，经CVD‑IP(chemical vapor deposition integrated process)过程催化活化和转化固碳，在500‑800℃下反应2‑6 h得到表面富含含氧基团的碳纳米管，该产物具有较高的研究价值与工业价值。

技术领域

本发明涉及一种将CO₂转换为表面富含含氧基团的碳纳米管的方法，碳纳米管的端口为开口结构。

背景技术

自从工业革命以来，大量的化石燃料被开采出来并作为满足能源需求的主要来源，这会增加大气中温室气体（GHGs）的浓度，而温室气体会造成全球变暖、气候变化、海洋酸化等一系列不利的影响，这给人类的生存造成了严重的威胁。据研究表明，超过80％的温室气体是由二氧化碳组成的，因此，减缓大气中二氧化碳的浓度对可持续发展至关重要。

碳纳米管作为一维纳米材料，具有重量轻，强度高等优点，除此之外，它还有优异的力学、电学、化学性能。近些年随着碳纳米管等纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。目前，碳纳米管已经被成功地应用到储氢材料、电化学材料、碳纳米管复合材料、碳催化等领域。

目前，CO₂的化学利用一般有CO₂催化加氢反应合成甲烷、甲醇、二甲醚（DME）等，CO₂的酯化反应合成碳酸二甲酯，CO₂的氨化反应合成尿素、三聚氰酸等。但关于将CO₂催化加氢生成附加值较高的碳纳米管的报道却较少，现有关于将CO₂进行还原生成固体碳的报道主要有：

文献Lou Z, Chen C, Huang H, et al. Fabrication of Y-junction carbonnanotubes by reduction of carbon dioxide with sodium borohydride[J]. Diam.Relat. Mater., 2006, 15(10): 1540-1543. 记载：Lou等^[9]人将15 g CO₂，1.5 g NaBH₄，放入高压容器内，保持温度为700 ℃，反应压力为1000个大气压，反应时间为8 h，其碳收率为4.2 %；文献G. Allaedini, S.M. Tasirin, P. Aminayi, Synthesis of CNTs viachemical vapor deposition of carbon dioxide as a carbon source in thepresence of NiMgO. J. Alloys Compd., 2015, 647：809-814. 记载：Allaedini等人使用Ni / MgO作为促进CO₂加氢生长碳纳米产物的催化剂，并通过Raman，TEM等表征证明所得碳纳米产物为碳纳米管，但碳纳米管只占反应后产物总重量的27.38％。

因为纳米碳本身为亲油相材料，所以在其利用过程中的分散问题一直备受关注，有许多的科学家通过各种化学方法诸如将纳米碳在弱酸/强酸中加热回流，或暴露在空气中加热氧化等手段来改善纳米碳在水相中的分散，其本质均是在纳米碳表面嫁接含氧或亲水官能团。

上述几种由二氧化碳加氢制备碳纳米管的方法大多存在反应条件苛刻、碳收率低且碳纳米管在产物中所占的含量较少。而且由于碳纳米管的亲油性，在水溶剂中容易团聚，所以进一步地限制了其应用。