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        不同反應(yīng)條件對(duì)批量制備納米碳纖維產(chǎn)率影響的研究

        2018-06-05 10:11:52徐文浩沈斌
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年35期
        關(guān)鍵詞:溶膠產(chǎn)率催化劑

        徐文浩 沈斌

        摘 要:本文采用溶膠-凝膠法制備出檸檬酸與硝酸鹽(六水合硝酸鎂、六水合硝酸鎳)摩爾比分別為1∶1、1∶2、1∶3的催化劑前驅(qū)體,并設(shè)置兩組添加催化劑助劑的對(duì)照組,分別為組1:硝酸鹽與檸檬酸摩爾比為1∶3,且添加10%Cr,組2:硝酸鹽與檸檬酸摩爾比為1∶3,添加6%Cu,重點(diǎn)研究了不同的催化劑對(duì)納米碳纖維產(chǎn)率的影響。利用制備的催化劑生產(chǎn)納米碳纖維,發(fā)現(xiàn)添加催化劑助劑能顯著提升納米碳纖維的產(chǎn)率,最高達(dá)到38.25%,是未添加助劑時(shí)產(chǎn)率的6倍。

        關(guān)鍵詞:納米碳纖維 溶膠-凝膠法 催化劑 產(chǎn)率

        中圖分類號(hào):TB38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)12(b)-0079-02

        1 引言

        納米碳纖維除了具有極好的物理和化學(xué)特性外,還具有很好的熱學(xué)性能和電磁性能,在航天領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、新型的催化劑載體等方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前各個(gè)國(guó)家都在探討研究如何在大批量制備納米碳纖維的情況下控制成本,并期望能在納米碳纖維的批量制備上處于世界尖端。我國(guó)目前對(duì)于納米碳纖維需求很大,但是生產(chǎn)納米碳纖維的能力有限,因此,研究納米碳纖維的產(chǎn)率影響因素具有重大意義。

        制備碳納米纖維的方法有很多,主要的方法有:靜電紡絲法、固相合成法及化學(xué)氣相沉積法。靜電紡絲法是利用靜電驅(qū)使聚合物溶液(或熔體)噴射形成聚合物纖維的過(guò)程[1]。利用靜電紡絲裝置使得聚合物帶上高壓靜電,由于電場(chǎng)的作用,泰勒(Taylor)錐首先出現(xiàn)在紡絲口。隨著電場(chǎng)力的增加直至可以克服紡絲液內(nèi)部張力時(shí),泰勒錐做加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行牽伸,射流在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中逐漸變細(xì)。因?yàn)樘├斟F的運(yùn)動(dòng)速率極快,因而在收集板上沉積而形成納米級(jí)纖維。而近年來(lái)出現(xiàn)的固相合成法,也引起了較多科研工作者的關(guān)注。作為制備碳納米管或者碳納米纖維的新型方法,該方法與以往單一的使用氣態(tài)或液態(tài)碳源的合成方法有所不同,是以固相碳源作為原料,包括納米石墨、人造石墨和活性炭等幾種固體碳材料作為碳源,以氯化鐵為前驅(qū)體,在1500℃下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚纱硕苽涑鎏技{米纖維,因此而稱之為固相合成法[2]。最后,化學(xué)氣相沉積(CVD)法是在一定的溫度(500℃~1000℃)下,利用烴類化合物作原料,主要通過(guò)熱分解,使烴類化合物在金屬催化劑上合成碳納米纖維的方法。由于烴類化合物具有高經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn),化學(xué)氣相沉積法被廣泛應(yīng)用于納米碳纖維工業(yè)化批量生產(chǎn)中,因此,研究化學(xué)氣相沉積法制作納米碳纖維也具有重要的意義。

        影響納米碳纖維生長(zhǎng)以及形貌的因素有很多,主要包括:反應(yīng)設(shè)備、催化劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣體、反應(yīng)時(shí)間及促進(jìn)劑等。與此同時(shí),催化劑的許多方面都會(huì)對(duì)納米碳纖維的產(chǎn)率產(chǎn)生影響,包括催化劑的種類、活性、形狀、大小等[3-4]。本研究的主要研究目標(biāo)是探索不同催化劑對(duì)制備納米碳纖維產(chǎn)率影響,尋求最佳的催化劑,為批量生產(chǎn)納米碳纖維奠定基礎(chǔ)。

        2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

        本實(shí)驗(yàn)所需的原材料包括:硝酸鎳Ni(NO3)2·6H2O、硝酸鎂Mg(NO3)2·6H2O、檸檬酸C6H8O7和蒸餾水。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括電子天平、真空干燥箱(PZF-6050)、井式電阻爐(SGI-7.5-12)。

        3 檸檬酸法NiO/MgO催化劑前驅(qū)體的形成機(jī)理

        NiO/MgO催化劑前驅(qū)體的制備是以檸檬酸作為絡(luò)合劑,利用溶膠凝膠法制備。檸檬酸分子結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        從圖1中可以看出,檸檬酸的分子結(jié)構(gòu)中既有-COOH,又含有-OH,可發(fā)生酯化反應(yīng)和脫水反應(yīng)形成具有復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物,構(gòu)成溶膠-凝膠骨架,檸檬酸與硝酸鹽絡(luò)合形成檸檬酸鎂[(C6H6O7)Mg]n、檸檬酸鎳[(C6H6O7)Ni]n。

        在煅燒過(guò)程中,隨著溫度的升高,硝酸鹽具有氧化性而作為氧化劑,檸檬酸具有還原性而作為還原劑,處于凝膠中的NO3-與檸檬酸絡(luò)合形成的檸檬酸鎂[(C6H6O7)Mg]n、檸檬酸鎳[(C6H6O7)Ni]n中的COO2-在一定溫度下發(fā)生原位氧化-還原反應(yīng),檸檬酸鎂和檸檬酸鎳的線型分子長(zhǎng)鏈發(fā)生斷裂,金屬離子形成NiO和MgO粉末,繼續(xù)升溫,最終形成NiO/MgO固溶體。

        理論上,該反應(yīng)的化學(xué)方程式如下:

        9Mg(NO3)2+9Ni(NO3)2+10C6H8O7=9NiO·MgO+36N2↑+60CO2↑+40H2O↑

        4 制備納米碳纖維的主要步驟

        4.1 催化劑前驅(qū)體制備

        本文采用溶膠-凝膠法,按物質(zhì)量比Ni/Mg=2∶1來(lái)制備催化劑前驅(qū),首先在24℃下使之完全溶解,再將充分溶解的混合液轉(zhuǎn)入在130℃的干燥箱干燥16h,直至形成凝膠。再將干燥箱升溫到150℃,保持6h使凝膠膨脹成為泡沫狀物質(zhì)。最后將泡沫狀物質(zhì)轉(zhuǎn)入坩堝,并在600℃的環(huán)境下進(jìn)行煅燒使其轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏玁iO/MgO前驅(qū)體粉末。

        4.2 納米碳纖維的制備

        本文分別以硝酸鹽與檸檬酸摩爾比為1∶3的催化劑前驅(qū)體,在真空度0.05MPa,600℃的環(huán)境下,通入Ar和H2以及 CH4氣體進(jìn)行納米炭纖維的制備。

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        按照納米碳纖維的產(chǎn)率=(m(CNFs)/m(CAT))×100%計(jì)算,碳纖維的產(chǎn)率如表1所示。

        其中:m(CNFs)為反應(yīng)后得到的納米碳纖維的質(zhì)量(未純化);m(CAT)為反應(yīng)前催化劑的質(zhì)量。

        通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們可以明顯的發(fā)現(xiàn),添加催化劑助劑可以顯著提升納米碳纖維的產(chǎn)率,其中添加6%Cu的催化劑在生產(chǎn)納米碳纖維時(shí),產(chǎn)率是未添加助劑催化劑的6倍。

        5.1 添加Cr作為助劑對(duì)納米碳纖維產(chǎn)率影響分析

        由于NiO和MgO的晶體結(jié)構(gòu)相似,都同屬于立方晶系,二者十分相近,NiO與MgO形成的固溶體穩(wěn)定性很高。NiO/MgO催化劑經(jīng)氫氣處理后,前驅(qū)體中只有極少部分的鎳氧化物被還原成為鎳。研究表明,在過(guò)渡金屬中引入鉻,會(huì)對(duì)金屬上的積碳行為產(chǎn)生很大的影響,通過(guò)在NiO-MgO中加入一定量的鉻,可以顯著改善Ni催化劑上納米碳纖維的增長(zhǎng)。最后得到:在加入助劑后納米碳纖維的產(chǎn)率明顯增加。

        冉茂飛等通過(guò)研究助劑鉻對(duì)Ni/MgO催化劑CVD法制備碳納米管的促進(jìn)作用時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),碳納米管的產(chǎn)量為未加助劑時(shí)產(chǎn)量的5倍,隨著Cr含量進(jìn)一步增加時(shí),Ni在催劑表面聚集形成大顆粒,制備出的產(chǎn)品中含有大量的碳納米纖維和無(wú)定形碳[5]。在本實(shí)驗(yàn)中,10% Cr-Ni/MgO催化劑制備納米碳纖維時(shí),產(chǎn)率為未添加助劑的4.53倍,基本與冉茂飛等人的研究結(jié)果相符。

        5.2 添加Cu作為助劑對(duì)納米碳纖維產(chǎn)率影響分析

        研究表明,在過(guò)渡金屬中引入Cu,會(huì)對(duì)金屬上的積碳行為產(chǎn)生很大的影響。加入Cu可以促進(jìn)催化劑中鎳的還原,增加了催化劑表面的鎳原子數(shù)量,由此可以增加催化劑的活性。通過(guò)在NiO-MgO中加入一定量的Cu,可以顯著改善Ni催化劑上納米碳纖維的增長(zhǎng)。

        6 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):添加催化劑助劑能夠顯著提升納米碳纖維產(chǎn)率。通過(guò)添加催化劑助劑Cu、Cr促進(jìn)前驅(qū)體中鎳的還原,使得制得的催化劑表面鎳的數(shù)量得到增加,來(lái)影響金屬上的積碳行為,改善催化劑活性,從而達(dá)到提升產(chǎn)率的效果。

        參考文獻(xiàn)

        [1] Deitzel J M,Kleinmeyer J D,Hirvonen J K,et al.Controlled deposition of electrospun poly(ethylene oxide)fibers[J].Polymer,2001,42(19):8163-8170.

        [2] 喬輝,楊笑魏,金柱.納米碳纖維的制備及其應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng),2010,17(6):13-14.

        [3] Amelinckx S,Zhang X B,Bernaerts D,et al.A formation mechanism for catalytically grown helix-shaped graphite nanotubes[J].Science, 1994,265(5172):635-637.

        [4] Hernadi K,F(xiàn)onseca A,Nagy JB,et al.Fe-catalyzed carbon nanotube formations[J].Carbon,2005,34(10):1249-1257.

        [5] 冉茂飛,儲(chǔ)偉,文婕,等.助劑鉻對(duì)Ni/MgO催化劑CVD法制備碳納米管的促進(jìn)作用[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2):231-235.

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