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纳米碳管自发现以来,由于其特殊的结构和物理化学性能,引起了人们的极大的研究兴趣。在物理学,材料学,纳电子技术领域已经取得突破性的进展,而在催化领域,从最初的理论预计可以作为催化剂载体,至今以来却发展比较慢,主要原因是限于纳米碳管的产量不足以进行宏观量的研究,而现在纳米碳管已经达到产业化生产的规模,因此研究纳米碳管在催化领域里的应用具有重要的理论意义和实际应用意义。
本文采用化学催化CVD法自制了纳米碳管,研究了催化剂制备,合成反应条件等因素对制备载体型纳米碳管的影响,获得了不同均匀管径,不同堆密度,以及不同比表面的纳米碳管。并应用多种现代分析方法,包括TEM,XRD,TG-DTA,TG-DSC,BET,H2-TPD,NH3-TPD等,对纳米碳管及碳管型催化剂进行了表征。研究了载镍纳米碳管催化剂在正庚烷临氢裂化和苯加氢反应中的催化性能。
实验结果表明:以溶胶凝胶法制备纳米金属催化剂以及在一定的助剂存在下,可以得到制备纳米碳管的优良催化剂。而合成纳米碳管条件的不同将直接影响纳米碳管的形貌,管径,壁厚,堆密度,长径比以及石墨化程度。可以通过改变催化剂,原料气体,反应流速,温度等条件获得不同需求的纳米碳管。
催化CVD法制备的纳米碳管具有很好的热稳定性,在氮气气氛下纳米碳管在1000℃以下是都是稳定的,但在空气中,300℃以上就开始发生分解反应,550℃完全氧化;高温条件下生成的碳管热稳定性高,石墨化程度高,经过氧化处理能提高碳管石墨化程度;在常温、常压下,负载锂或镍的纳米碳管具有一定的吸氢能力;纳米碳管本身不具有酸性,负载镍的碳管才显现了吸附氨的能力。
碳管型催化剂在正庚烷临氢裂化反应中,纳米碳管比活性炭、超稳Y型沸石和三氧化二铝等载体的镍催化剂具有高得多的正庚烷催化裂化活性,产物的选择性主要为低碳分子,说明载镍纳米碳管催化剂可能具有深度裂化的性能,将有利于开发其在重油裂化中的应用。在苯加氢反应中,载镍纳米碳管催化剂也显示了很高的加氢催化活性,对环己烷100%的选择性,以及长的活性寿命。对于纳米碳管型催化剂的优异催化性能,我们认为是由于这些原因:1)0-20nm范围的纳米金属组分在碳管外表面的高分散;2)金属组分与纳米碳管的较强的相互作用;3)载镍纳米碳管具有的吸氢能力;4)在临氢和加氢反应中活化金属与载体溢氢的协同作用。