以Cu、Ni、Co和Fe为催化剂化学气相沉积纳米碳纤维的研究

摘要

本文以氢气还原硝酸盐高温分解产物的方法制备催化剂，以乙炔及乙炔和氢气的混合气为碳源化学气相沉积纳米碳纤维，对催化剂随温度的活性变化，尾气的成分和影响纳米碳纤维沉积的因素进行了研究，并通过SEM对纳米碳纤维的形貌进行了表征。
　　 实验对Cu，Ni，Fe催化剂的催化活性进行了研究，发现：铜的活性随着温度的升高先增后降，然后再升高，并在250℃左右的时侯便已达到一极大值。对纤维生长过程中尾气成分及颜色变化研究发现，尾气的成分主要为H2，CH4，C2H2，C2H4，C3H4，C3H6和C3H8，尾气的颜色随温度的升高逐渐加深，且有油状物质产生；镍催化剂的活性变化情况与铜类似，但是在400℃左右时才出现极大值，沉积过程中所产生的尾气主要成分也与铜的相同，但整个反应过程中尾气颜色基本上没有发生变化；铁催化剂在100℃便已具有很高的活性，甚至在C2H2:H2=1∶1和1:4的气氛条件下已达到最大值，尾气的颜色在600℃左右时也发生了变化。
　　 另外，实验采用Cu，Ni，Fe和Co为催化剂在不同的碳源条件下制备纳米碳纤维，研究发现，催化剂、温度和碳源中氢气含量是影响化学气相生长纳米碳纤维的重要因素。氢气的存在不仅能够清洁催化剂表面延缓催化剂中毒，而且能够导致催化剂表面发生重构，进而影响催化剂的活性。在本实验条件下Cu和Co微粒的催化效率较高，所得的纤维的产量较大；Fe催化剂的催化活性较差，沉积产物中只存在少量的纤维。通过对形貌及产率的比较发现，以铜为催化剂在反应温度为500℃、乙炔与氢气的含量比为4:1和1∶1时的条件下，制得的产物中纤维含量较高，并且所得到的纤维比较均匀、长径比较大。以镍为催化剂时，在600℃、碳源中乙炔与氢气的含量比为1:4的条件下，较有利于纤维的生长。在以铁为催化剂的条件下，所得产物主要为无定形的碳，需进一步研究。而以钴为催化剂，纳米碳纤维的最佳生长温度和气氛条件分别为为600℃和C2H2:H2=4:1。