專利名稱：一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高石墨化碳材料的制備方法，特別是提供了一種低成本、批量化 氣相分解碳?xì)浠衔锷a(chǎn)一種形貌可控的石墨化程度高的納米碳管、納米碳球、納米洋蔥 碳等納米碳材料的制備方法。
背景技術(shù)：
高度石墨化的碳材料，如碳球、納米碳管、碳纖維、洋蔥碳等，由于其良好的電子、 機(jī)械性能，化學(xué)惰性，生物相容性，正在被廣泛地應(yīng)用于工程、電子、化工、生物等領(lǐng)域。其 中，石墨化的洋蔥碳，在超電容、催化劑負(fù)載、藥物緩釋等方面有廣闊的應(yīng)用前景。而碳包 裹的磁性金屬離子(催化劑)由于石墨化外殼優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，保護(hù)了其中活潑的磁 性金屬，在電磁、光學(xué)性質(zhì)的研究以及核磁共振成像、磁性懸浮密封液等領(lǐng)域有著重要的應(yīng) 用。迄今為止，科學(xué)家們探索了多種制備石墨化碳材料的方法，如化學(xué)氣相沉積 (CVD)、電弧放電、激光蒸發(fā)、溶劑熱解等方法。但是大部分方法都需要昂貴的特殊設(shè)備，以 及大量的能源輸入，且不利于工業(yè)化批量生產(chǎn)。采用催化熱解法制備一維納米碳材料，一般 采用碳?xì)浠衔餁怏w作為碳源，氫氣、氬氣或者氮?dú)庾鳛橄♂寶夂洼d氣。稀釋氣和載氣的作 用主要是夾帶碳源進(jìn)入反應(yīng)，調(diào)節(jié)反應(yīng)過程中碳?xì)浔?。在?shí)際的應(yīng)用中，為了獲得較高質(zhì)量 一維納米碳材料，過程的關(guān)鍵是要研發(fā)出高活性(甲烷有高的單程轉(zhuǎn)化率)、高穩(wěn)定性和高 選擇性的催化劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種零排放、批量化制備石墨化程度高的納 米碳材料制備方法。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明專利采用的制作過程為一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，以天然氣、煤層氣、沼氣、乙炔等烷烴 氣體為原料氣，加入不同的催化劑在600 800°C溫度和1 Sbar的壓力下，將含有碳?xì)浠?合物的原料氣體通入催化裂解反應(yīng)器進(jìn)行催化裂解反應(yīng)，制備出不同形貌的納米碳材料。所述的催化劑為不同Mo、Ni (Fe，Co)和Mg含量的Mox-Ni (Fe，Co) y-MgOz固溶體 催化劑、Ni/Y-型沸石結(jié)構(gòu)催化劑、La2NiO4催化劑、Ni/MCM-41催化劑、Fe-Cr合金催化劑和 LaNia9Coa A 催化劑。所述的催化劑為不同Mo、Ni(Fe，Co)和Mg含量的Mox-Ni (Fe，Co)y_MgOz固溶體，則 催化裂解后所得到的石墨化碳材料為單壁碳納米管(SWCNT)。所述的催化劑為La2MO4,則催化裂解后所得到的碳材料為多壁碳納米管 (MWCNT)，所得多壁碳納米管內(nèi)徑為15nm左右，壁層40曾左右。所述的原料氣中同時(shí)通入苯(體積分?jǐn)?shù)為IOOppm)，催化劑為Ni/MCM_41，催化裂 解后所得到的碳材料為直徑在500納米左右的微米級圓盤碳(MCD)。
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所述的催化劑為Fe-Cr合金催化劑，催化裂解后所得到的碳材料為納米洋蔥碳 (CNO)，且該納米洋蔥碳碳層在50層左右，直徑在IOOnm左右。所述的催化劑為LaNia9CoaiO3，催化裂解后所得到的碳材料為微米級碳纖維。本發(fā)明利用甲烷在催化劑上裂解機(jī)理為=CH4可以在一定條件下發(fā)生如下裂解反 應(yīng)=CH4 — C+2H2甲烷催化裂解，能耗低，通過改變反應(yīng)條件，尤其是催化劑的結(jié)構(gòu)和種類，這 一反應(yīng)可生產(chǎn)納米碳材料，如優(yōu)良結(jié)構(gòu)的碳納米管、碳納米纖維和碳納米顆粒，可以廣泛應(yīng) 用于催化劑載體、儲(chǔ)氫材料和增強(qiáng)材料，同時(shí)可以零排放制氫氣。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以天然氣、煤層氣、沼氣等烷烴氣體為原料氣，在催化劑存在下，在600 800°C溫度和1 Sbar的壓力下，將原料氣體通入反應(yīng)器進(jìn)行催化裂解反應(yīng)制備納米碳材 料，當(dāng)所選用催化劑分別為不同Mo、Ni (Fe, Co)和Mg含量的Mox-Ni (Fe, Co)y-MgOz固溶體 催化劑、Ni/Y-型沸石結(jié)構(gòu)催化劑、La2NiO4催化劑、Ni/MCM-41催化劑、Fe-Cr合金催化劑和 LaNia9CoaiO3催化劑時(shí)，裂解原料氣制備的碳材料相應(yīng)為石墨化程度高的單壁納米碳管、納 米碳球、納米洋蔥碳、微米碳盤、微米碳纖維等。下面結(jié)合實(shí)施列對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例1 以不同Mo、Ni (Fe，Co)和Mg含量的Mox-Ni (FejCo)y-MgOz固溶體為催化劑，裂解溫 度為800°C，常壓下催化裂解后所得碳材料為單壁碳納米管(SWCNT)；以M0aiFeaci5Mga85Op Mo0.105Co0.045Mg0.850x和Moa 2Ni0.御。.70x固體氧化物為催化劑，則催化裂解后所得到的碳材料 為薄壁碳納米管(TWCNT)，管徑順序?yàn)門WCNTFe < TffCNTco < TffCNTm,且 TWCNTFe 和 TWCNTe。 為閉合薄壁碳納米管，TffCNTm為端口敞開式碳納米管；以La2MO4為催化劑，催化裂解后所 得到的碳材料為多壁碳納米管(MWCNT)，所得多壁碳納米管內(nèi)徑為15nm左右，壁層40曾左 右ο實(shí)施例2:原料氣中同時(shí)通入苯(體積分?jǐn)?shù)為IOOppm)以Ni/MCM-41為催化劑，催化裂解后 所得到的碳材料為直徑在500納米左右的微米級圓盤碳(MCD)；以Fe-Cr合金為催化劑，催 化裂解后所得到的碳材料為納米洋蔥碳(CNO)，80(TC下，該反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為90%左右，接近 理論轉(zhuǎn)化率(92. 9% )，且所產(chǎn)納米洋蔥碳在50層左右，直徑在IOOnm左右；以LaNia9Coa叢 為催化劑，催化裂解后所得到的碳材料為微米級碳纖維。
權(quán)利要求
一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于以天然氣、煤層氣、沼氣、乙炔，烷烴氣體為原料氣，加入不同的催化劑在600～800℃溫度和1～8bar的壓力下，將含有碳?xì)浠衔锏脑蠚怏w通入催化裂解反應(yīng)器進(jìn)行催化裂解反應(yīng)，制備出不同形貌的納米碳材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的催化劑為不同Mo、Ni (Fe，Co)和Mg含量的Mox-Ni (Fe，Co) y-MgOz固溶體催化 劑、Ni/Y-型沸石結(jié)構(gòu)催化劑、La2NiO4催化劑、Ni/MCM-41催化劑、Fe-Cr合金催化劑和 LaNia9Coa A 催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的催化劑為不同Mo、Ni (Fe, Co)和Mg含量的Mox-Ni (Fe, Co) y_MgOz固溶體，則催化裂解 后所得到的石墨化碳材料為單壁碳納米管SWCNT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的催化劑為La2MO4，則催化裂解后所得到的碳材料為多壁碳納米管MWCNT，所得多壁 碳納米管內(nèi)徑為15nm左右，壁層40曾左右。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的原料氣中同時(shí)通入苯，體積分?jǐn)?shù)為lOOppm，催化劑為M/MCM-41，催化裂解后所得到 的碳材料為直徑在500納米左右的微米級圓盤碳MCD。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的催化劑為Fe-Cr合金催化劑，催化裂解后所得到的碳材料為納米洋蔥碳CN0，且該納 米洋蔥碳碳層在50層左右，直徑在IOOnm左右。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，其特征在于 所述的催化劑為LaNia9CoaiO3，催化裂解后所得到的碳材料為微米級碳纖維。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨化程度高的納米碳材料制備方法，以天然氣、煤層氣、沼氣、乙炔等烷烴氣體為原料氣，加入不同的催化劑在600～800℃溫度和1～8bar的壓力下，將含有碳?xì)浠衔锏脑蠚怏w通入催化裂解反應(yīng)器進(jìn)行催化裂解反應(yīng)，制備出不同形貌的納米碳材料，本發(fā)明利用甲烷在催化劑上裂解機(jī)理為CH4可以在一定條件下發(fā)生如下裂解反應(yīng)CH4→C+2H2甲烷催化裂解，能耗低，通過改變反應(yīng)條件，尤其是催化劑的結(jié)構(gòu)和種類，這一反應(yīng)可生產(chǎn)納米碳材料，如優(yōu)良結(jié)構(gòu)的碳納米管、碳納米纖維和碳納米顆粒，可以廣泛應(yīng)用于催化劑載體、儲(chǔ)氫材料和增強(qiáng)材料，同時(shí)可以零排放制氫氣。
文檔編號C01B31/02GK101905881SQ20101025045
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者張衛(wèi)珂, 張敏, 梁翼紅, 田曉峰, 高利珍 申請人:無錫誠信碳材料科技有限公司