[发明专利]一种利用太阳能驱动生长碳纳米材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用太阳能驱动生长碳纳米材料的方法。该方法是在光照条件下，以金属纳米颗粒催化剂催化裂解碳源气体生长出一维碳纳米材料。该方法中能量输入只有光照，无需其它形式能量输入。本发明可控制只在催化剂处集中加热，且反应温度低，减少能源消耗。相较于其他传统非光照加热方式，本发明实现了高选择性催化生长高附加值的一维碳纳米纤维。本发明的工艺操作简便，成本低廉，易于产业化推广。

技术领域

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，具体涉及一种利用太阳能驱动生长碳纳米材料的方法。

背景技术

人类要实现经济社会的发展离不开先进材料的开发、制备和使用。碳纳米材料就是当前人类社会使用的重要的先进材料之一。碳纳米材料的独特结构赋予了其优异的物理化学性质。因而，其被应用于诸多领域，如，碳纳米材料可用作催化剂、传感器、过滤器和电子组件，此外，其在锂离子电池、超级电容器、机械和生物医药等领域也显示出巨大的应用潜力。而实现碳纳米材料的经济、实用的制备是其广泛应用的前提。

经过最近数十年的发展，已开发出较为成熟的碳纳米材料的制备方法。目前用于制备碳纳米材料的方法主要有三种，分别是电弧放电法、激光烧蚀法和催化化学气相沉积法(CCVD)。其中，电弧放电法和激光烧蚀法制备碳纳米材料都需要高能量输入和真空的制备条件，从而导致其设备成本和制备成本高。并且碳纳米材料生成速度过快导致其结构不易调控。所以这两种方法都不适宜用于大量、可控地制备碳纳米材料。相对来说，CCVD法制备碳纳米材料具有反应条件温和制备参数(如催化剂种类、反应温度、碳源进料种类和速度)可调等优点，其在碳纳米材料制备方面潜力巨大。用于CCVD法制备碳纳米材料的催化剂主要分为金属催化剂(如：Fe、Co、Ni、Pt、Mn、Cu)和非金属催化剂(如：Si、SiO₂、SiC、Al₂O₃、CNTs)两类。

目前，金属纳米催化剂催化生长碳纳米材料都是在管式炉内使用传统的加热方法驱动催化剂裂解碳源气体从而催化生长出碳纳米材料。这种催化生长碳纳米材料的方法存在以下三个问题：

1、需要对整个管式炉加热到较高的温度，导致大量能量的消耗。

2、催化剂要承受较高的催化温度，可能会导致金属纳米催化剂在反应过程中发生烧结，进而影响得到的碳材料的质量。

3、高的生长温度阻碍了碳纳米材料在电子器件上的生长和使用。

发明内容

基于以上背景技术，本发明开发了一种利用太阳能驱动生长碳纳米材料的方法。该方法中能量输入只有光照，无需其它形式能量输入。

所述的利用太阳能驱动生长碳纳米材料的方法是在光照条件下，以金属纳米颗粒催化剂催化裂解碳源气体生长出一维碳纳米材料。

所述的碳源气体为甲烷、乙烷、乙烯中的一种或几种，或者氢气和甲烷、乙烷、乙烯中的一种或几种的混合物。

所述的金属纳米颗粒为Fe、Co、Ni纳米颗粒中的一种或几种，粒径为3-200nm。

在光照条件下，所述催化剂表面温度为300-500℃。

所述催化裂解的反应过程中，碳源气体压力为0.05-0.2MPa，流速为20-100mL/min。

所述催化裂解的反应时间为0.5-5h。

所述催化裂解的反应结束后，用盐酸溶液溶解去除金属纳米颗粒催化剂，洗涤，干燥后得到一维碳纳米材料。

所述金属纳米颗粒催化剂的制备方法为：将层状双金属氢氧化物在空气氛围下500-900℃煅烧2-5h，再在氢气氛围下400-700℃还原2-5h，得到金属纳米颗粒催化剂。

所述层状双金属氢氧化物的制备方法为：将碱性物质、活性金属盐和其它金属盐两类可溶金属盐同时溶解在水中反应而成。