[发明专利]一种大规模制备氮掺杂碳纳米管定向阵列的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种特种碳纳米管制备方法，尤其涉及一种大规模制备氮掺杂碳纳米管定向阵列的方法。

背景技术

1991年Iijima首次报道碳纳米管的透射电镜高分辨结构(Iijima S.Nature，1991；364：56)，由于其在力学，光学，电学等诸多领域均有优异性能，引起了许多科学家和工程师的广泛关注。碳纳米管定向阵列的制备和应用也受到高度关注，目前已可通过流化床等反应器形式在颗粒上进行批量制备(魏飞等，公开号：CN101073934；魏飞等，公开号：CN101348249)。氮掺杂碳纳米管是一类特种碳纳米管，将氮原子引入碳纳米管中可以调变碳纳米管的结构以及表面性能，从而使惰性的碳纳米管管壁呈现一定的化学活性。目前，氮掺杂的碳纳米管在包括电化学反应，催化等诸多领域都有广泛的应用前景。举例来说，氮掺杂碳纳米管用作超级电容器电极材料时体现部分赝电容性能，性能远优于纯碳纳米管；其可以直接作为催化剂用于氧还原(Chen Z，et al.Carbon，2010；48：3057)，脱水(Amadou A，et al.Catalysis Today，2008；138：62)等反应中；其也可以作为良好的金属催化剂载体用于氨分解(Chen JL，et al.Chemical Engineering Journal，2010：156：404)等反应中。然后不规则排列的聚团氮掺杂碳纳米管在许多情况下由于扩散等原因无法充分发挥性能，在这种情况下，氮掺杂碳纳米管的定向阵列结合了氮掺杂碳纳米管的性能和定向阵列长度均一、孔分布均匀等特点，能发挥更好的性能。如在场发射器件(Ghosh K，et al.Carbon，2010；48：191)，燃料电池(Gong KP，et al.Science，2009；323：760)中，氮掺杂碳纳米管定向阵列均体现出优异的性能。但是实现这些具体应用工业化的最重要前提就是可控低成本的批量制备氮掺杂碳纳米管定向阵列。

截止目前，氮掺杂碳纳米管主要制备手段为基于粉末催化剂的聚团氮掺杂碳纳米管(Shalagina AE，et al.Carbon，2007；45：1808；A.沃尔夫等，公开号：CN101903289A)。氮掺杂碳纳米管定向阵列的制备主要在一些平面基板(如硅片，石英片等)表面，利用固定床反应器实现(He MS，etal.The Journal of Physical Chemistry B，2005；109：9275)。由于氮掺杂碳纳米管定向阵列的产量与生长基板的表面积成正比，且采用片状基板的固定床反应器空间利用率较低，目前制备条件下氮掺杂碳纳米管定向阵列制备效率极低，限制了其作为先进功能材料的具体应用。

由此可见，若能克服目前氮掺杂碳纳米管定向阵列制备效率低的问题，开发一种大规模制备氮掺杂碳纳米管定向阵列的方法，并通过工程手段降低制备过程的成本，可以有效促进氮掺杂碳纳米管定向阵列的供应及后续的具体应用，从而为基于此种材料的功能化应用的材料提供解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服目前氮掺杂碳纳米管定向阵列制备过程中利用平面基板，制备成本高、生产效率低的问题。利用颗粒的大比表面积特点，实现氮掺杂碳纳米管定向阵列的高效制备及大规模供应。

本发明提供一种大规模制备氮掺杂碳纳米管定向阵列的方法，该方法包括以下步骤：

1)采用含表面曲率半径不小于500纳米的颗粒作为催化剂载体，将活性组分负载到颗粒的内外表面，然后将催化剂放入反应器内；所述活性组分为铁盐、镍盐、钴盐或它们的混合物；

2)在氮掺杂碳纳米管定向阵列生长的反应器中，通入碳源、氮源、氢气和载气的混合气体，反应温度为500-1000℃，气速为0.005-2米/秒，混合气体中碳原子、氮原子、氢气分子、载气分子的摩尔比为1∶0.01-100∶0-5∶0.1-30，所述碳源为一氧化碳和八碳以下低碳烃类中的一种或几种的混合气体；所述氮源为氨气和八碳以下含氮烃类中的一种或几种的混合气体；获得氮掺杂碳纳米管定向阵列。

所述催化剂载体的外观形貌为：球状颗粒、柱状颗粒或片层堆叠状颗粒。

所述步骤2)中反应过程的空速为5-10000小时^-1，反应器内床层密度保持在10-1500千克/立方米。

所述反应器采用固定床、流化床、移动床、转鼓反应器或它们的组合结构。

本发明的另一技术方案包括以下步骤：

1)采用含表面曲率半径不小于500纳米的颗粒作为催化剂载体，将催化剂放入反应器内；