纳米碳管非金属催化规模应用获进展

近日，沈阳材料科学国家（联合）实验室研究员苏党生、张建等与浙江大学化学系肖丰收小组合作，首次通过离子交换及固相生长方式得到纳米碳管宏观聚集体，解决了纳米碳管作为非金属催化规模应用中催化材料成型的关键性难题。相关成果发表在《应用化学》2012年第30期上。此前，苏党生团队的有关研究成果表明，纳米碳管可以在氧化脱氢、直接脱氢反应中部分或完全替代传统的金属或金属氧化物催化剂。但是，目前在催化领域中使用的商业纳米碳管多为粉体结构，存在诸多技术问题和安全隐患。如何获得高质量的纳米碳管宏观聚集体是制约其替代金属或金属氧化物催化剂商业化应用的关键难题之一。批量制备多壁纳米碳管大多采用化学气相沉积（CVD）工艺，在700℃～1100℃的高温下使用金属催化剂裂解烃类气源并形成碳原子核，继而在金属表面有序组装成空心管状结构。 CVD工艺所得纳米碳管一般为密度轻、结构松散的粉末，洗涤、提纯、干燥、成型等后续操作难度较大。此外，纳米碳管粉体作为催化剂或催化载体使用时，粉末易在反应器内堆积，继而堵塞床层空隙，阻碍物料流动及热量扩散，给整个工艺流程带来严重的安全隐患。使用活性炭、碳纤维、碳化硅等多孔材料负载纳米碳管，可以适度提高堆密度，改善床层压力分布，但负载的纳米碳管与载体结合力较弱，容易脱落。苏党生等开发了一种离子交换树脂小球固相生长碳纳米管球体的方法，并将该方法制备的球体作为催化剂应用于乙苯氧化脱氢反应中。结果显示，纳米碳管小球比碳纳米管粉体具有更高的催化活性和苯乙烯选择性。该方法采用惰性的氮气作为保护气，避免使用易燃易爆的烷烃气体，在400℃～800℃的温度下即可得到石墨化程度良好、毫米尺度、堆密度质量高的纳米碳管小球，具有安全性高、能耗低的突出优点。研究人员还详细研究了纳米碳管生长过程中铁、碳元素的存在形式及变化规律，阐明了固相生长机理与气相沉积生长机理的相似及不同之处，有助于加深对碳纳米管生长过程中铁与碳两种元素之间作用本质的理解。（来源：中国科学报周峰）