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中國科學(xué)院金屬研究所
納米碳管宏觀聚集體制備及非金屬催化研究取得重要進展
材料新視野
2014年02月19日
多壁納米碳管的批量制備大多采用化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，在700oC-1100oC的高溫下使用金屬催化劑裂解烴類氣源并形成碳原子核，繼而在金屬表面有序組裝成空心管狀結(jié)構(gòu)。該工藝所得產(chǎn)品一般為密度輕、結(jié)構(gòu)松散的粉末，后續(xù)洗滌、提純、干燥、成型等操作難度較大。此外，納米碳管粉體作為催化劑或催化載體使用時，粉末易在反應(yīng)器內(nèi)堆積，繼而堵塞床層空隙，產(chǎn)生較大壓力降，阻礙物料流動及熱量擴散，給整個工藝流程帶來嚴重的安全隱患。如果使用活性炭、碳纖維、碳化硅等多孔材料負載納米碳管可以適度提高堆密度，改善床層壓力分布，但負載的納米碳管與載體結(jié)合力較弱，容易脫落。
自2008年開始，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室催化材料研究部蘇黨生研究員、張建研究員等人與浙江大學(xué)化學(xué)系肖豐收教授小組合作開展了納米碳管宏觀聚集體的制備及應(yīng)用研究工作。針對商業(yè)納米碳管粉體在催化領(lǐng)域應(yīng)用中存在的諸多技術(shù)問題，開發(fā)了一種離子交換樹脂小球固相生長碳納米管球體的方法，并將該方法制備的球體作為催化劑應(yīng)用于乙苯氧化脫氫反應(yīng)中，結(jié)果顯示納米碳管小球比碳納米管粉體具有更高的催化活性和苯乙烯選擇性。該方法采用惰性的氮氣作為保護氣，避免使用易燃易爆的烷烴氣體，在400oC-800oC的溫度即可得到石墨化程度良好、毫米尺度、堆密度為0.55g mL？1-0.91g mL？1的納米碳管小球，具有安全性高、能耗低的突出優(yōu)點。該研究成果發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition 2012年第30期上。
該研究的創(chuàng)新之處在于，首次通過離子交換及固相生長方式得到納米碳管宏觀聚集體，并使用多種原位表征技術(shù)詳細研究了生長過程中鐵、碳元素的存在形式及變化規(guī)律，闡明了固相生長機理與氣相沉積生長機理的相似及不同之處，有助于加深碳納米管生長過程中鐵與碳兩種元素之間作用本質(zhì)的理解。此前，蘇黨生研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊的一系列研究成果（Science, 2008, 322, 73; Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 8640; ChemSusChem, 2010, 3, 169）表明，碳材料可以在氧化脫氫、直接脫氫反應(yīng)中部分或完全替代傳統(tǒng)的金屬或金屬氧化物催化劑，本研究成果可為非金屬催化的規(guī)模應(yīng)用解決催化材料成型的關(guān)鍵性難題。該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目（批準號：2011CBA00504）和國家自然科學(xué)基金（批準號：21133010、50921004）資助。
自2008年開始，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室催化材料研究部蘇黨生研究員、張建研究員等人與浙江大學(xué)化學(xué)系肖豐收教授小組合作開展了納米碳管宏觀聚集體的制備及應(yīng)用研究工作。針對商業(yè)納米碳管粉體在催化領(lǐng)域應(yīng)用中存在的諸多技術(shù)問題，開發(fā)了一種離子交換樹脂小球固相生長碳納米管球體的方法，并將該方法制備的球體作為催化劑應(yīng)用于乙苯氧化脫氫反應(yīng)中，結(jié)果顯示納米碳管小球比碳納米管粉體具有更高的催化活性和苯乙烯選擇性。該方法采用惰性的氮氣作為保護氣，避免使用易燃易爆的烷烴氣體，在400oC-800oC的溫度即可得到石墨化程度良好、毫米尺度、堆密度為0.55g mL？1-0.91g mL？1的納米碳管小球，具有安全性高、能耗低的突出優(yōu)點。該研究成果發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition 2012年第30期上。
該研究的創(chuàng)新之處在于，首次通過離子交換及固相生長方式得到納米碳管宏觀聚集體，并使用多種原位表征技術(shù)詳細研究了生長過程中鐵、碳元素的存在形式及變化規(guī)律，闡明了固相生長機理與氣相沉積生長機理的相似及不同之處，有助于加深碳納米管生長過程中鐵與碳兩種元素之間作用本質(zhì)的理解。此前，蘇黨生研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊的一系列研究成果（Science, 2008, 322, 73; Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 8640; ChemSusChem, 2010, 3, 169）表明，碳材料可以在氧化脫氫、直接脫氫反應(yīng)中部分或完全替代傳統(tǒng)的金屬或金屬氧化物催化劑，本研究成果可為非金屬催化的規(guī)模應(yīng)用解決催化材料成型的關(guān)鍵性難題。該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目（批準號：2011CBA00504）和國家自然科學(xué)基金（批準號：21133010、50921004）資助。