[发明专利]一种生长碳纳米管的高效催化剂及其制备和使用方法

说明书

本发明属于纳米材料制备工艺以及应用技术领域，涉及一种生长碳纳米管的高效催化剂及其制备和使用方法，该催化剂由钴、铁、镝金属、氧化钼及氧化铝构成，各组分分布均匀，镝元素的引入可有效抑制催化剂的奥氏熟化而聚集增长失活，并大幅提升催化剂生长碳纳米管的效率。以含碳气体为碳源，将催化剂平铺于石英舟中，于水平管式炉中进行化学气相沉积反应制备出碳纳米管，其产率能够达到6000％以上(生长后产物与生长前催化剂之比)。本发明可制备成分均匀的镝金属掺杂催化剂用以高效生长碳纳米管，制备流程简便易行，原材料成本低廉，所生长碳纳米管纯度与石墨化程度高，对于推进高品质碳纳米管的工业生产及应用具有重大意义。

技术领域：

本发明属于纳米材料制备工艺以及应用技术领域，涉及一种生长碳纳米管的高效催化剂及其制备和使用方法。

背景技术：

碳纳米材料主要由富勒烯、碳纳米管、石墨烯等构成。碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，自1991年饭岛澄男在透射电镜下观察到这类结构特殊的材料以后，它一直受到广泛的关注和深入的研究。在近30年的研究探索中，碳纳米管的应用逐渐渗透到电子、光学仪器、透明导电薄膜、高性能场效应晶体管等领域。目前碳纳米管的商业化制备通常采用化学气相沉积法(CVD)，该法的核心技术在于催化剂的制备和设备的传质传热效率。同时，碳纳米管的产率、品质、形貌均与催化剂有着密切的关系。一般来说，CVD过程会采用过渡金属铁、钴、镍或其合金作为主催化剂来生长碳纳米管。碳纳米管的生长温度通常需高于650℃，而在高温下，铁、钴、镍或其合金表面张力变大，会因奥式熟化产生热聚集趋势，进而导致其活性降低。因此在碳纳米管合成过程中，如何确保高温时催化剂处于分散状态、保持活性成为研究焦点。目前通常使用的方法是采用难溶氧化物来支撑分散催化剂，常用的难熔氧化物包括氧化钼、氧化钨与氧化铝等。另一方面，研究人员相继开发出一些催化助剂，如铜、钼或稀土元素等，将其掺杂到过渡金属中来改善催化剂的活性。稀土元素具有疏松的4f电子轨道，将其掺杂到主催化剂中即可充当载体稳定催化剂，又可使催化剂抗烧结抑制其失活。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种生长碳纳米管的高效催化剂制备方法及应用，引入镝元素，可有效抑制催化剂的奥氏熟化而聚集增长失活，并大幅提升催化剂生长碳纳米管的效率。解决了催化剂由于奥氏熟化易失活、高品质碳纳米管制备成本高、产率低的难题，有利于推进高品质碳纳米管的规模化生产。

本发明采用如下技术方案实现：一种生长碳纳米管的高效催化剂，该催化剂的各个组分的摩尔比为：氧化铝0.5～1.5，氧化钼0.05～0.15，钴1.5～2.5，所述催化剂还包括铁0.25～1，镝0.05～0.15，(原子比)。

本发明的另一目的提供一种制备上述的高效催化剂的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分分别称取上述金属/金属氧化物前体原料，分散于去离子水中；

S2)采用络合法或共沉淀法向S1)中加入络合剂或碱性溶液，充分搅拌回流10-14h使各组分均匀混合，得到混合溶液，

S3)将S2)得到混合溶液成化后烘干，得到产物A；

S4)将S3)得到产物A先煅烧，在进行还原焙烧，最终制得高效催化剂。

进一步，所述镝采用硝酸镝、氯化镝和/或硫酸镝的形式加入。

进一步，所述S3)的具体工艺为：将S2)得到的混合溶液在温度为60～150℃下陈化12～24h，抽滤后反复水洗并烘干。

进一步，所述S4)的具体工艺为：在空气中500～600℃煅烧1.8-2.2h后，在惰性气体中采用还原性气体于600～700℃还原8-15min。