热等离子射流法Co2O3%2fFeS催化裂解甲烷制备碳纳米管研究.pdfVIP

第七届中国纳米科技西安研讨会论文集 热等离子射流法Co：03／FeS催化裂解甲烷 制备碳纳米管的研究 朱自平鲍卫仁旧李小丽 (太原理工人学煤科学与技术教育部ti山西省重点实验室，山西太原030024) 摘 要：以co=。】和FeS的混和物傲催化荆前驱物，利用热等离子射流法成功制得包含碳纳米管的固相物，通过扫描电镜、透 射电镜对产物进行表征并与高纯单质金属催化碳纳米管生长的类似文献报道傲对比，证实其中碳纳米管密度大、纯度高、管 径分布小、大部分为50到90nto的直线型多壁管且相互独立、管壁平滑、厚度约为lOnm。在数量和质量上均可与己报道文献 相比。结采表明，俸化剂中微量氧的存在不仅不会影i确催化效果，还有助于提高产物中碳纳米管纯度。 关键词：热等离子射流：甲烷；碳纳米管：催化剂： 1 前言 热等离子射流法与电弧放电法相比具有适应性强、可连续规模化运作、反应操作条件可独立控制以便 进行优化的优点，这引起一些纳米材料科学工作者的研究兴趣，但各个研究组所用的催化剂个不相同：Tian 等人¨’21以煤粉为原斟，单质Cu粉末为催化剂制得多壁碳纳米管，并发现催化剂存在条件下碳纳米管的产 率明显得到改善：Choi等人¨“。以甲烷为原料气，单质Ni粉为催化剂制得高纯碳纳米管。并指出等离子工 作气中添加氢气而产生的高温对金属纳米催化剂颗粒的正确成型十分重要；Harbec等人伯“1把液相四氯乙 烯蒸发后喷入热等离子射流中，钨电极烧蚀并在下游冷凝成的w金属纳米颗粒起催化作用生成多壁管，并 末的高纯石墨棒直接暴露在热等离子射流中制得多壁管及单壁管，实验表明二元金属催化剂明显改善了产 物的产率及石墨化程度：Hahn等人墉’9’以一氧化碳为原料气，二茂铁为催化剂前驱物在含氢气氛热等离子 下制得单壁及层数较少的多壁碳纳米管，即非单质态金属在热等离子条件下也有良好的催化效果。 在实现可连续、规模化的前提下．发展低成本、清洁化的碳纳米管生产十分必要。高纯单质金属(Fe、 Co、}《i等)虽有良好的催化效果，却因其高昂的价格及一次消耗性的催化反应特点成为碳纳米管生产的高 成本因素之一，而金属茂因其自身生产过程大多涉及有毒化学试剂显然不符合清洁生产要求，本文的目的 在于探索以清洁的化合态金属(氧化物或硫化物)为催化剂前驱物利用热等离子法裂解甲烷制备碳纳米管。 2 实验 本实验装置由原用于裂解甲烷制备乙炔n0】的实验装置改装而来，主要包括四部分：等离子体发生器、 进料器、反应器、产物收集器。等离子体发生器输入电流170A，电压300V，反应压力为常压。等离子体工 作气体(At和}i2，体积比为2：1)通过阳极和阴极之间产生的电弧立即被加热形成包括各种活性物种的等 u 离子体射流。原料气CH，兼作载气把粒度为125m的催化剂粉末同时带入高温区，经高温原子化后在下游反 应器冷凝戍纳米级的颗粒促进碳纳米管成核并生长。反应器内衬石墨夹套以延长高温区。反应结束后产物 收集器的壁上粘有固相产物沉积。参考其它文献关于双金属联合催化效果明显好于单金属的报道““。本实 n。 125“m，进斟的平均速度约为0．99／rain，进料时间为5mi 其组分，采用海欣色谱工作站处理数据。 3结果与讨论 m联系人： 鲍卫仁， 男， 太原理工大学教授． 联系电话0351—6018380!乜王苴塑!堕竺!￡i!垒21≥：!!1 306 弟t届中目蚺来科技i安HH舍t文羹 反应过程结囊后．在产物收集器的壁上发现拈附在表面的有一定弹性的黑色薄膜，用镊子可成片扯起。 幽1(a)是典型的固相产物s脚圈像．圉中可以看出，产物中古有大量较直的碳纳米管．直径在50到90rim 2间，分布比较均匀．K选几微米．纯度较高．仅在碳纳米管的两端有少置的颗粒状物质．还有少=昔的颗 催化产物中所古的碳纳米管是互相独立的直线型管而作缠绕在一起，这显然有利丁后续的纯化和进一步的 利用． 图2 F#十《*米管T刚田