水对氩气中催化法分解甲烷制备单壁碳纳米管的影响

摘要

用"柠檬酸法"制备W-Fe-MgO和Mo-Fe-MgO催化剂,以Ar为载气,在1273 K催化分解CH4制单壁碳纳米管(SWCNTs),发现原料气中加水和不加水对产物的影响极大.不加水时,产物中SWCNTs含量极低,以无定形碳和多壁碳纳米管(MWCNTs)为主;加少量水时,产物绝大部分是直径在1～3 nm左右SWCNTs形成的管束.在1273 K下,H2O分压在0.67～2.0 kPa时得到SWCNTs含量较高的产物,100 mg催化剂上的碳产量为40～52 mg.进一步增加原料气中的水分压到2.7 kPa,则无碳产物生成.通过对比实验、粗产物XRD分析和对反应尾气质谱检测,可得如下结论:在Mo-Fe-MgO和W-Fe-MgO催化剂中的金属氧化物和碳化物是CH4分解为无定形碳的活性相,Fe-Mo合金相是CH4分解得SWCNTs的主要活性相.当反应气中无水时,CH4在催化剂中的氧化物和碳化物上生成的无定形碳起决定作用,而Fe-Mo合金上生成SWCNTs的反应相对减少,使产物中SWCNTs含量很低;反应气中有少量水时,水抑制了催化剂中氧化物和碳化物上无定形碳的生成,使CH4在Fe-Mo合金上分解生成SWCNTs成为主反应,此时产物中SWCNTs含量较高;水量过大时,催化剂中氧化物不能被还原为金属,故无SWCNTs生成,而此时水也抑制了无定形碳的生成,因而无任何碳产物生成.