CN115504457A - 生物质硅基催化剂制备大管径单壁碳纳米管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物质硅基催化剂制备大管径单壁碳纳米管的方法。实验过程如下：(1)催化剂制备：对稻壳等含硅生物质进行水洗、酸浸、洗涤、干燥、焙烧、球磨等处理方式制备出纳米级生物质二氧化硅，并进一步负载金属制备出生物质硅基催化剂，该催化剂具有丰富的孔径小于4nm的介孔结构。(2)单壁碳纳米管的合成：以乙醇为碳源、氢气为还原气、氩气为保护气、钴含量为1wt％的上述催化剂采用化学气相沉积法在还原温度为700℃、生长温度为900～1000℃的条件下可选择性合成大管径单壁碳纳米管。本发明制备的生物质硅基催化剂可用于选择性合成大管径(大于2nm)单壁碳纳米管。

Description

生物质硅基催化剂制备大管径单壁碳纳米管的方法
技术领域
本发明涉及生物质硅基催化剂制备大管径单壁碳纳米管的方法。
背景技术
单壁碳纳米管的结构(手性、管径等)决定了其独特的物理化学性能，并极大地影响了单壁碳纳米管在复合材料、电子和光电子学、生物和医学等领域的实际应用。单壁碳纳米管的典型管径分布在0.7-2nm之间。相较于小管径碳管而言，大管径单壁碳纳米管(＞2nm)在许多先进应用中具有更大的优势。例如，大管径的单壁碳纳米管具有更高的载流子迁移率、更好的纳米管接触以及更快的响应时间，因此它们是很有前途的电子器件材料。此外，根据理论研究，大管径单壁碳纳米管具有更强的毛细管力可用于吸收液体。同时，其具有适合于客体分子封装的内面体体积，在多光谱成像和光转换器件领域具有极大的应用前景。然而，在实际生产过程中得到的单壁碳纳米管通常具有较宽的手性和管径分布，使得它们在这些特定领域中的应用受到限制。因此，获得大管径单壁碳纳米管(＞2nm)富集的样品是非常有必要的。
以往的研究都致力于通过可控生长或合成后分离方法获得大管径单壁碳纳米管富集的样品。在过去的十年中，包括密度梯度超离心、共轭聚合物包裹、水相两相萃取和凝胶渗透色谱在内的几种方法都显示出了分离与富集大管径单壁碳纳米管的出色能力。然而这些方法都具有一定的局限性，例如分离方法总是需要引入难以分离和去除的表面活性剂或聚合物，获得的单壁碳纳米管的纯度和收率相对较低，分离过程较为复杂、耗时且昂贵。因此，直接合成大管径单壁碳纳米管富集的样品不仅有利于后续分离，而且可以有效降低应用成本。
化学气相沉积法由于其操作简单、反应温度低及合成过程容易于控制等优点被广泛应用于单壁碳纳米管的管径选择性合成。在该法中，催化剂对单壁碳纳米管的管径分布至关重要。目前，许多研究采用二氧化硅为载体制备的催化剂来选择性合成管径相对较大(1.2nm左右)的单壁碳纳米管。然而，这些商用二氧化硅的化学合成较为昂贵且对环境有害，而且还需要苛刻的合成条件。
生物质具有价格低廉、可再生且分布广泛等优点，部分含硅生物质材料可以作为二氧化硅的天然来源，如稻壳、秸秆、玉米秆、高粱秆、燕麦、大麦、稻糠或高粱壳等，经过一定的预处理步骤后，通过煅烧可以大量提取其中的二氧化硅。然而，这些生物质通常被当作农业废物丢弃。因此，研发一种基于生物质硅基载体负载催化剂用于大管径单壁碳纳米管的选择性合成具有重要的研究意义。
发明内容
本发明目的在于开发一种基于含硅生物质载体的负载型催化剂，并用于大管径单壁碳纳米管的生长。
为达到以上目的，本发明设计了用于化学气相沉积法合成大管径单壁碳纳米管的生物质二氧化硅负载型催化剂的制备及相关合成条件的确定等实验过程，包括以下步骤：
(1)获取生物质二氧化硅：对稻壳等含硅生物质进行水洗、酸浸、灼烧、球磨等预处理步骤，得到生物质二氧化硅载体；
(2)制备生物质硅基催化剂：将一种或多种过渡金属盐溶液与步骤(1)中得到的生物质二氧化硅载体通过浸润、搅拌、老化、干燥、研磨、焙烧等处理方式制备得到；
(3)大管径单壁碳纳米管的合成：利用步骤(2)中所获得的催化剂，通过乙醇化学气相沉积法合成了大管径单壁碳纳米管材料。
优选的，步骤(1)中选用的生物质材料为稻壳、秸秆、玉米秆、高粱秆、燕麦、大麦、稻糠或高粱壳中的一种或几种的混合物。
优选的，步骤(1)中酸浸过程采用的酸液为硫酸、盐酸、硝酸或离子液体，酸浸温度为20-60℃，酸浸时间为30min-2h。
优选的，步骤(1)中灼烧温度为300-800℃，灼烧时间为3-12h。
优选的，步骤(1)中球磨转速为300-600r/min，球磨时间为2-72h。
优选地，步骤(2)中所使用的过渡金属盐，应选用由含有铁、钴、镍、铜、钼、钒等组成的金属盐类中的一种或几种的混合物。优选的，可选择的钴盐有乙酰丙酮钴(Ⅱ)、乙酰丙酮钴(Ⅲ)、醋酸钴以及草酸钴，催化剂包含的过渡金属元素总负载量约为0.5wt％-10wt％。
优选的，步骤(2)中所使用的溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷，催化剂的焙烧温度为100-800℃，焙烧时间为3h，升温速率为2℃/min。
优选地，步骤(3)中干燥、研磨并焙烧后的催化剂用于化学气相沉积法在还原温度为500-900℃、生长温度为900-1000℃、生长时间为3-60min的条件下合成碳纳米管，所用惰性气氛为氩气或氮气，且惰性气氛的流速为30-100sccm，所用还原气氛为氢气，且氢气的流速为100-200sccm，乙醇气体流速为300-700sccm。
本发明成功利用稻壳等含硅生物质废弃物制备了一种生物质硅基催化剂，并使用该催化剂采用乙醇化学气相沉积法，在还原温度为500-900℃、生长温度为900-1000℃、生长时间为3-60min，所用惰性气氛为氩气，且氩气的流速为30-100sccm，所用还原气氛为氢气，且氢气的流速为100-200sccm，乙醇气体流速为300-700sccm的条件下成功合成了大管径单壁碳纳米管富集的碳纳米管样品。本发明对于大管径单壁碳纳米管的控制合成具有一定的意义。
附图说明
图1是实施例1所得催化剂的N2-吸脱附等温线。
图2是实施例1所得催化剂的X-射线衍射光谱(XRD)。
图3是实施例1所得催化剂的紫外-可见-漫反射光谱(UV-vis-DRS)。
图4是实施例1所得催化剂的程序升温还原曲线(TPR)。
图5是实施例3所得碳纳米管的拉曼光谱图(Raman)。
图6是实施例3所得碳纳米管的紫外-可见-近红外光谱(UV-vis-NIR)。
图7是实施例3所得碳纳米管的透射电子显微镜图(TEM)。
图8是实施例3所得碳纳米管的管径分布图。
图9是实施例3所得碳纳米管的扫描电子显微镜图(SEM)。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些举行实施方式的说明书用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
实施例1
(1)生物质二氧化硅的制备：用水清洗稻壳除去表面可溶性杂质后于烘箱中60℃干燥24h；而后将稻壳浸渍于60℃的硫酸溶液(0.5mol/L)中，在磁力搅拌器上连续搅拌30min，转速为300r/min，然后用去离子水多次洗涤并过滤直至滤液呈中性，于烘箱中60℃过夜烘干；将干燥后的样品在空气氛下置于马弗炉中600℃灼烧6h，得到二氧化硅；将所得的二氧化硅粗颗粒于球磨机中500r/min球磨24h后得到催化剂载体生物质二氧化硅。
(2)催化剂的制备：用一定体积的二氯甲烷溶液溶解一定质量的乙酰丙酮钴(Ⅱ)，将乙酰丙酮钴(Ⅱ)溶液缓慢加入上述生物质二氧化硅载体中，将混合物置于磁力搅拌器上搅拌30min，然后升温至60℃持续搅拌至无多余溶剂后，将混合物置于烘箱中60℃烘干，将烘干后的样品研磨至粉末状后于马弗炉中在450℃下焙烧3h，得到钴含量为1wt％的二氧化硅负载的钴催化剂。
图1是实施例1所制得的催化剂的N2-吸脱附等温线及孔径分布图，生物质二氧化硅负载的钴金属催化剂表现出I型和IV型的组合等温线，表明存在微孔和介孔结构。计算出的催化剂的BET比表面积为49.2m2/g。从孔径分布图可以看出，催化剂中主要孔径分布在4nm左右。这种介孔结构有利于
图2是实施例1的X-射线衍射图(XRD)。从衍射图中可以看到，催化剂样品仅在2θ＝21°处出现大包衍射峰，该峰归属于催化剂中的无定形二氧化硅，同时可以表明催化剂中的钴物种在载体上分散均匀，因此难以被检测到。
图3是实施例1所制得的催化剂的紫外-可见-漫反射光谱图(UV-vis-DRS)。催化剂在520、588和650nm处出现了三个吸收峰，其中520nm处的吸收峰归属于四面体配位Co2+的4T1g→4T1g(P)跃迁,588和650nm处的两个吸收峰是表面硅酸钴的特征峰。图中没有出现Co3O4的特征峰，表明催化剂中没有Co3O4的存在。
图4是实施例1所制得的催化剂的H2-程序升温还原曲线，从曲线中可以看到催化剂在590℃、730℃和840℃出现了三个较为明显的还原峰，分别与水合硅酸钴、表面硅酸钴和难还原的体相硅酸钴的存在有关，这些Co物种的形成是由于Co配合物与载体表面的硅羟基发生反应，或Co物种在催化剂表面的高度分散使其与载体之间发生了强烈的相互作用。然而，催化剂在500℃以下并未出现还原峰，说明催化剂制备过程中未形成Co3O4。
实施例2
将实施例1所制得的钴含量为1wt％的生物质二氧化硅负载的钴催化剂用于化学气相沉积法合成单壁碳纳米管：取200mg催化剂填装在瓷舟中，并将其放置于管式炉的中部，然后从室温开始在纯氢气(150sccm)下还原催化剂至700℃，升温速率为10℃/min。然后，在氩气气氛中继续以10℃/min的升温速率升温至900℃，用500sccm的氩气向反应***中持续鼓入无水乙醇(60℃)30min后，样品在氩气气氛中自然冷却至室温，得到单壁碳纳米管样品。
实施例3
将实施例1所制得的钴含量为1wt％的生物质二氧化硅负载的钴催化剂用于化学气相沉积法合成单壁碳纳米管的具体步骤参考实施例2，不同之处在于，将催化剂于氩气气氛中继续以10℃/min的升温速率升温至950℃。
实施例4
将实施例1所制得的钴含量为1wt％的生物质二氧化硅负载的钴催化剂用于化学气相沉积法合成单壁碳纳米管的具体步骤参考实施例2，不同之处在于，将催化剂于氩气气氛中继续以10℃/min的升温速率升温至1000℃。
图5是实施例3所制得的单壁碳纳米管的拉曼光谱(Raman)图。可以看出，在950℃合成的碳纳米管样品在不同激发波长下(532、633和785nm)的光谱均具有很强的径向呼吸震动模式(RBM)和切向振动模式(G峰)，而缺陷振动模式(D峰)较弱，表明合成了高质量的单壁碳纳米管。利用RBM峰位置对单壁碳纳米管管径进行初步分析，所选用的计算公式为：
ωRBM＝(223.5cm-1/dt)+12.5cm-1
其中，ωRBM和dt分别为RBM的峰值频率和单壁碳纳米管的管径。因此，在135-197cm-1范围内的RBM峰对应的是管径范围为1.21-1.82nm的单壁碳纳米管。其中主要的RBM峰位于186、160和145cm-1，表明950℃合成的样品中主要含管径为1.29、1.52和1.69nm的单壁碳纳米管。同时，三种激发波长下单壁碳纳米管样品的RBM峰均较少，表明管径分布较窄。
图6是实施例3所制得的单壁碳纳米管的紫外-可见-近红外光谱(Uv-Vis-NIR)。根据S11和S22吸收峰的出峰位置，分析单壁碳纳米管的手性结构。如图6所示，在S22区域，单壁碳纳米管主要的吸附峰在810和869nm处，分别归属于1.17nm的(9,8)和1.24nm的(10,9)碳管。相应地，在S11区域，最强的吸收峰来自于位于1378和1422nm处的(9,8)和(10,9)碳管，表明在该温度条件下合成了管径为1.2nm的单壁碳纳米管。
需要说明的是，管径大于2nm的单壁碳纳米管超出了拉曼和吸收光谱的表征范围，无法通过光谱技术检测到，因此常采用透射电镜探测大管径碳纳米管。
图7是实施例3所制得的单壁碳纳米管的透射电镜图(TEM)，可以观察到束状单壁碳纳米管的生成，催化剂的活性金属颗粒在载体表面均匀分布。并且，从图中可以观察到较多独立的大管径单壁碳纳米管的存在，最大管径为3.8nm。
图8是实施例3所制得样品的TEM统计的单壁碳纳米管管径分布图，对950℃条件下生长的样品选取了约100根单壁碳纳米管进行统计分析，结果表明在该条件下合成的单壁碳纳米管样品的平均管径为2.3nm。并且，在该条件下生长的样品中，观察到了70.7％的单壁碳纳米管的管径大于2nm。
图9是实施例3所制得的单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)图，如图所示，在得到的样品中单壁碳纳米管分布在催化剂表面，以聚集的形式结合成束状并互相缠绕。并且，其长度可达数微米。表明在该生长条件下合成了较高产率的单壁碳纳米管。
据实施例1、3的表征结果分析可得，本发明成功开发了一种基于含硅生物质的负载型催化剂用于合成大管径单壁碳纳米管的方法，并确定了该催化剂的制备方法及大管径单壁碳纳米管的合成条件，即制备了具有大量孔径小于4nm的生物质硅基催化剂，当催化剂中钴含量为1wt％、催化剂的还原温度为700℃、生长温度为950℃时，该催化剂对大管径单壁碳纳米管(dt＞2nm)的生长具有良好的选择性。
上述提及的实施例只是为了清楚地说明本发明，并非是对实施方式的限定。对所属本领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出许多其它形式的变化。在这里，也无法对所有实施方法进行说明。因此，由上述实施例引出的显而易见的变化或改动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种权利要求用于合成大管径单壁碳纳米管的生物质硅基催化剂的制备，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生物质二氧化硅载体的制备：对生物质材料进行预处理，除去表面杂质及可溶性金属盐；高温灼烧得到生物质二氧化硅；球磨处理得到尺寸适宜的高比表面积二氧化硅。
(2)生物质硅基催化剂的制备：用一定体积的溶剂溶解一定质量的金属盐，然后将金属盐溶液缓慢滴加到(1)中得到的二氧化硅载体中，在水浴中常温搅拌一段时间，然后升温至60℃持续搅拌至无多余溶剂后，将混合物置于烘箱中60℃干燥过夜，最后将烘干的催化剂研磨并焙烧，得到生物质硅基催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所用的生物质原料为稻壳、秸秆、玉米秆、高粱秆、燕麦、大麦、稻糠或高粱壳中的一种或几种的混合物；预处理所用溶剂为硫酸、盐酸、硝酸或离子液体，预处理时间为30min-2h，预处理温度为20-60℃；其灼烧温度为300-800℃、灼烧时间为3-12h；球磨转速为300-600r/min，球磨时间为2-72h。
3.根据权利要求1-2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的过渡金属元素盐，应选用由含有铁、钴、镍、铜、钼、钒等组成的金属盐类中的一种或几种的混合物。优选的，可选择的钴盐有乙酰丙酮钴(Ⅱ)、乙酰丙酮钴(Ⅲ)、乙酸钴、草酸钴。
4.根据权利要求1-3任一所述的催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中催化剂的金属负载量为1wt％-10wt％；金属盐溶剂为乙醇、甲醇、二氯甲烷；催化剂的焙烧温度为100-800℃，焙烧时间为3h，升温速率为2℃/min。
5.一种权利要求用于合成大管径单壁碳纳米管的生物质硅基催化剂的制备，其特征在于，通过权利要求1-4中任一所述的制备方法制得。
6.一种权利要求用于生物质硅基催化剂在化学气相沉积法中合成大直径单壁碳纳米管，其特征在于，包括以下几个步骤：将权利要求5所述催化剂取200mg填装在瓷舟中，并将其放置于管式炉中部，从室温开始于氢气气氛中升温至还原温度；然后于惰性气氛中升温至反应温度，当温度达到反应温度时立即利用惰性气体将碳源乙醇从水浴锅中带入管式炉，反应结束后立即停止通入乙醇，反应***保持在惰性气氛中自然降温至室温，得到大管径单壁碳纳米管样品。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，化学气相沉积法合成过程中的还原温度为500-900℃、生长温度为900-1000℃、生长时间为3-60min，所用惰性气体为氩气和氮气，惰性气体流量为30-100sccm，所用还原气体氢气的流量为100-200sccm，乙醇气体流量为300-700sccm。
8.根据权利要求6、7所述的方法，其特征在于，权利要求5所述生物质硅基催化剂的生长温度为950℃时，可选择性制备管径大于2nm的单壁碳纳米管，且管径分布较窄。
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