一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法，將由乙醇碳源、二茂鐵催化劑、噻吩助劑和水組成的反應(yīng)液，注入到尾氣流的高溫反應(yīng)爐中，反應(yīng)區(qū)生成筒狀的連續(xù)聚集體，隨氣流下降至反應(yīng)器下端，沉積得的碳管膜聚集體；聚集體過水致密，纏于外部紡軸，電機(jī)帶動(dòng)紡軸，制備連續(xù)碳納米管纖維；調(diào)控反應(yīng)器氣流，在反應(yīng)器中直接得到碳?xì)饽z聚集體；改變反應(yīng)液配比，不加金屬催化劑，調(diào)控氣流、注液速度，尾氣直接催化形成碳納米纖維。通過再激活制備碳納米纖維過程中產(chǎn)生的尾氣中的含碳?xì)怏w和催化劑，制備得到多種碳納米纖維材料，包括碳納米管纖維、碳納米纖維，以及聚集體材料碳管膜和碳?xì)饽z，能夠高效再利用尾氣，降低污染排放。
【專利說明】一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法，屬于納米材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]碳納米纖維擁有低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電等特性，在高性能復(fù)合材料、催化劑載體、電極材料等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。CVD氣相流法是目前主要的制備方法，含碳前驅(qū)體熱解后，可直接在氣流中組裝形成宏觀碳納米纖維。目前CVD法中碳源和金屬催化劑的利用率低，僅~6%和~10%，反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣，存在較多含碳?xì)怏w如CH4和CO，金屬催化劑以及微量H2S,尾氣大都直接排入大氣，污染環(huán)境。
[0003]本發(fā)明提供了一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法，利用制備碳納米纖維過程中產(chǎn)生的尾氣，再激活制備得到多種碳納米纖維材料，如碳納米管纖維、碳納米纖維，以及聚集體材料如碳管膜和碳?xì)饽z，能夠高效利用尾氣中的含碳?xì)怏w和催化劑，降低污染氣體排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法。通過再激活制備碳納米纖維過程中產(chǎn)生的尾氣中的含碳?xì)怏w和催化劑，制備得到多種碳納米纖維材料，包括碳納米管纖維、碳納米纖維，以及聚集體材料碳管膜和碳?xì)饽z，能夠高效再利用尾氣，降低污染排放。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法，其特征是包括以下步驟:
[0007](I)將由乙醇碳源、`二茂鐵催化劑、噻吩助劑和水組成的反應(yīng)液，注入到尾氣流的高溫反應(yīng)爐中，反應(yīng)區(qū)生成筒狀的連續(xù)聚集體，隨氣流下降至反應(yīng)器下端，沉積得的碳管膜聚集體；
[0008](2)聚集體過水致密，纏于外部紡軸，電機(jī)帶動(dòng)紡軸,制備連續(xù)碳納米管纖維；
[0009](3)調(diào)控反應(yīng)器氣流，在反應(yīng)器中直接得到碳?xì)饽z聚集體；
[0010](4)改變反應(yīng)液配比，不加金屬催化劑，調(diào)控氣流、注液速度，尾氣直接催化形成碳納米纖維。
[0011]所述的尾氣為CVD法制備碳納米纖維產(chǎn)生，主要含氫氣、含碳?xì)怏w和殘余金屬催化劑，對(duì)應(yīng)摩爾百分比組成:60-90%，2-30%，0.5-2%。
[0012]所述的乙醇碳源、噻吩助劑的質(zhì)量百分組成:80-95%，0.5-1% ;余量為水。
[0013]所述的反應(yīng)液注液速度為6_12ml/h。優(yōu)選10ml/h。
[0014]所述的碳源為丙酮、乙二醇、正己烷或乙醇。
[0015]所述的催化劑為氯化鐵、草酸鎳或二茂鐵。
[0016]所述的尾氣流速為600-1500ml/min。優(yōu)選 1000_1200ml/min。
[0017]所述的反應(yīng)器溫度為900-1200°C，優(yōu)選1000-1200°C。
[0018]本發(fā)明使用的反應(yīng)裝置與專利CN 101153413A的反應(yīng)裝置類似，包括1-微量注射泵，用于注入反應(yīng)液，2-石英管，3-爐體，4-密封箱，5-紡軸，6-噴嘴，7-密封法蘭。
[0019]本發(fā)明利用尾氣的活性、利用尾氣中殘余催化劑、利用尾氣的活性，制備得到碳納米纖維。
[0020]利用尾氣的活性，調(diào)控氣流，制備得到碳?xì)饽z聚集體。
[0021]本發(fā)明纖維是碳包覆的碳管形成的同軸結(jié)構(gòu)；主要由雙壁碳管組成。
[0022]對(duì)應(yīng)碳?xì)饽z材料，密度僅為2.9mg/CnT3，由碳納米管、碳納米纖維及石墨烯組成。
[0023]本發(fā)明提供一種高效環(huán)保制備多種碳納米纖維的方法。通過再激活制備碳納米纖維過程中產(chǎn)生的尾氣中的含碳?xì)怏w和催化劑，制備得到多種碳納米纖維材料，包括碳納米管纖維、碳納米纖維，以及聚集體材料碳管膜和碳?xì)饽z，能夠高效再利用尾氣，降低污染排放。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1高效環(huán)保制備碳納米纖維的反應(yīng)裝置圖。
[0025]圖2實(shí)例I中利用尾氣流制備的連續(xù)碳納米管纖維實(shí)物圖。
[0026]圖3實(shí)例I中利用尾氣流制備的碳?xì)饽z實(shí)物圖。
[0027]圖4實(shí)例I利用尾 氣殘余催化劑再激活制備得到的碳納米纖維TEM圖.【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明使用的以石英管為主要部件的合成反應(yīng)裝置類似于中國(guó)專利CN 101153413A。本發(fā)明制備碳納米纖維，用照相機(jī)(Panasonic, NV-GS408)觀察纖維宏觀形貌，用掃描電鏡(SEM，JSM-6700F，Phi lips, Holand)和透射電鏡(Tecna1-G2F20, Philips, Ho I and)觀察纖維微結(jié)構(gòu)。
[0029]使用上述裝置的制備工藝方法實(shí)施例:
[0030]實(shí)施例1
[0031 ] 含有23g乙醇、0.5g 二茂鐵，0.4g噻吩溶液中，引入2g水配成混合溶液，將混合溶液以10ml/h速度注入到lOOOml/min尾氣流的高溫反應(yīng)器中，反應(yīng)器溫度設(shè)定為1200°C，反應(yīng)可連續(xù)得到筒狀的聚集體，大量聚集體沉積于反應(yīng)器下端，得到碳管膜聚集體；聚集體過水致密后，可得連續(xù)碳納米管纖維，如圖1所示實(shí)物；調(diào)節(jié)氣流，補(bǔ)入~lOOOml/min的氬氣，聚集體沉積一段時(shí)間后，制備得到碳?xì)饽z聚集體，如圖2所示海綿狀的氣凝膠聚集體。不加催化劑，注入23g乙醇、2g水、0.4g噻吩，以10ml/h速度注入到1000ml/min尾氣流的高溫反應(yīng)器中，制備得到碳納米纖維，如圖3所示碳納米纖維的TEM圖。
[0032]實(shí)施例2
[0033]按實(shí)施例1同樣過程和條件，反應(yīng)器溫度變?yōu)?110°C，得到碳納米管纖維、碳納米纖維及碳?xì)饽z
[0034]實(shí)施例3
[0035]按實(shí)施例1同樣過程和條件，反應(yīng)器溫度變?yōu)?070°C，得到碳納米管纖維、碳納米纖維及碳?xì)饽z
[0036]實(shí)施例4
[0037]按實(shí)施例1同樣過程和條件，反應(yīng)器溫度變?yōu)?030°C，得到碳納米管纖維、碳納米纖維及碳?xì)饽z
[0038]實(shí)施例5
[0039]按實(shí)施例1同樣過程和條件，尾氣流速度變?yōu)?00ml/min，得到碳納米管纖維、碳納米纖維及碳?xì)饽z
[0040]實(shí)施例6
[0041]按實(shí)施例1同樣過程和條件，尾氣流速度變?yōu)?300ml/h，得到碳納米管纖維、碳納米纖維及碳?xì)饽z。
【權(quán)利要求】
1.一種高效環(huán)保制備碳納米纖維的方法，其特征是包括以下步驟: (1)將由乙醇碳源、二茂鐵催化劑、噻吩助劑和水組成的反應(yīng)液，注入到尾氣流的高溫反應(yīng)爐中，反應(yīng)區(qū)生成筒狀的連續(xù)聚集體，隨氣流下降至反應(yīng)器下端，沉積得的碳管膜聚集體； (2)聚集體過水致密，纏于外部紡軸，電機(jī)帶動(dòng)紡軸,制備連續(xù)碳納米管纖維； (3)調(diào)控反應(yīng)器氣流，在反應(yīng)器中直接得到碳?xì)饽z聚集體； (4)改變反應(yīng)液配比，不加金屬催化劑，調(diào)控氣流、注液速度，尾氣直接催化形成碳納米纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的尾氣為CVD法制備碳納米纖維產(chǎn)生，主要含氫氣、含碳?xì)怏w和殘余金屬催化劑，對(duì)應(yīng)摩爾百分比組成:60-90%，2-30%, 0.5-2%。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的乙醇碳源、噻吩助劑的質(zhì)量百分組成:80-95%, 0.5-1% ;余量為水。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的反應(yīng)液注液速度為6-12ml/h。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的碳源為丙酮、乙二醇、正己烷或乙醇。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的催化劑為氯化鐵、草酸鎳或二茂鐵。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的尾氣流速為600-1500ml/min。
8.如權(quán)利要求 1所述的方法，其特征是所述的反應(yīng)器溫度為900-1200°C。
【文檔編號(hào)】C01B31/02GK103626155SQ201310664660
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】李亞利, 李 東, 韓帥帥, 閆嘯 申請(qǐng)人:天津大學(xué)