[发明专利]一种纳米碳纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米碳纤维的制备方法，具体涉及一种采用TiC纳米粒子为催化剂利用化学气相沉积法制备纳米碳纤维的制备方法。

背景技术

纳米碳纤维除了有其他气相生长碳纤维的特性，比如密度低、比强度高、导电率高、以及较高的比模量等诸多特性以外，还具有非常少的缺陷数量、较大的比表面积、良好的导电性能、结构致密等许多优点，因此被广泛应用于催化剂以及催化剂载体材料、分离剂、结构的增强材料、锂离子双电层电容器电极、二次电池的阳极材料、场发射电子材料以及吸附效率极高的吸附剂等方面。

经过不断探索，人们掌握了许多得到纳米碳纤维的方法，比如热解法、化学气相沉积法、固相合成法等。其中化学气相沉积(CVD)法是以烃类为碳源，在催化剂的活性温度下(一般在300 ?C-1000 ?C之间)，使烃分子在直径较小的金属催化剂表面热分解来制备纳米碳纤维的方法。根据催化剂不同的存在形式及加入方法，可将化学气相沉积法分成以下几种：基体法、喷淋法和气相流动催化法。

其中基体法是将纳米催化剂颗粒均匀散布在陶瓷或石墨基体上（催化剂多为Fe、Co、Ni等过渡金属），并在适当温度下通入烃类气体，使之在催化剂作用下分解并在其表面析出纳米碳纤维。采用基体法催化制备的碳纤维纯度较高，但前期制备超细催化剂颗粒比较困难，如果催化剂粒径较大，则难制备细直径的纳米碳纤维，甚至于碳纤维难以生长。另外，纳米碳纤维只在喷洒或者涂布了催化剂颗粒的部分基体上生长，因而碳纤维的产量较低，一般只能单次生长，难以实现工业化生产。

喷淋法是指利用液相有机物分散或溶解催化剂，然后将分散有催化剂的混合液喷撒到高温反应室中，通过液相微粒中分散的催化剂催化生长出碳纳米纤维。由于可以实现连续向反应体系中喷入催化剂，因此有可能实现工业化连续量产，其缺点在于，催化剂在分散介质中分散往往不均匀，二者比例不易控制，并且喷淋过程中由于液相颗粒分布不均造成催化剂颗粒分布不均匀，催化剂很难达到纳米量级，因此该方法得到的碳纤维经常不是纳米量级的，并常伴生有炭黑。

气相流动催化法是通过加热催化剂前驱体，使气态的前躯体同烃类气体共同进入反应室，在不同温度区分别完成催化剂前躯体的分解以及烃类气体的分解，催化剂前躯体分解后，其中的金属原子逐渐聚集，成为纳米级金属颗粒，金属颗粒热解烃类产生的碳原子在催化剂表面堆积成碳纤维。由于催化剂前躯体以气态和烃类均匀混合，且催化剂的量可以通过控制前躯体的量来精确控制，因此，得到的催化剂及碳纤维均在纳米尺度且反应较快，产量高，并容易实现连续生产。

中国发明专利CN 102502591 B就采用气相流动催化法提高了碳纤维的产率并降低了成本，其提供的纳米碳纤维的制备方法，包括以下步骤：一、将竖直设立的管状密闭反应腔内加热至≥700至≤1200℃；二、同时从炉体的上方充入气体1和催化剂，从炉体的下方通入气体2，时间为1-120min，得到纳米碳纤维；催化剂流量为固体1-100g/s· m³，或液体或气体1-100g/min· m³，为化合物I、化合物II和化合物III，化合物I是Fe的化合物、Co的化合物和Ni的化合物中的一种以上，化合物II是含有化学元素周期表IA、IIA、IIIA、IVA中的一种以上金属元素的化合物，化合物III是除Fe、Co和Ni以外化学元素周期表IB、IIB、IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB和VIII中的一种以上元素的化合物；化合物I的元素与化合物II和化合物III的元素的原子摩尔比为0.9-5：1；气体1为碳源气体和载气的混合气体，碳源气体和载体的体积比为≥2至≤3：1，流量为1-100mL/s· m³，碳源气体是甲烷、乙烷、丙烷、丁烯、甲苯、异丁烯、丁二烯、二甲苯、环己烷、甲醛、乙醛、丙酮和苯的一种以上，天然气，液化石油气，挥发性的油或煤油，载气为氮气或氩气；气体2为氮气或氢气，流量为1-100mL/s· m³。

但是上述专利技术存在下述缺陷：1、采用的催化剂为为化合物I、化合物II和化合物III，化合物I，催化剂种类繁多、有些催化剂如含VIII元素的化合物难以取得，成本较高；2、上述专利技术采用的流动催化法需要从炉体的上方充入气体1和催化剂，从炉体的下方通入气体2，而每一种气体或催化剂又由多种物质组成，对于催化剂和气体的流量也要加以控制，操作复杂，增加了制备的难度，不利于提高制备效率；3、上述专利技术虽然提高了产率，但是正是由于在制备纳米碳纤维的过程中加入繁多的催化剂、通入多种气体，增大了制得的纳米碳纤维中含有杂质的风险，同时不利于生成形态规则的纳米碳纤维。