用于生产碳纳米管的催化剂以及使用该催化剂生产的碳纳米管

摘要

本申请提供能够生产具有高比表面积的碳纳米管的负载型催化剂以及通过使用所述负载型催化剂获得的碳纳米管。根据本发明能够以高产率生产CNT，并且其因此能够有效用于各种领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产碳纳米管的催化剂，并且更具体地，涉及一种 用于生产具有大比表面积的碳纳米管的催化剂以及使用该催化剂生产的碳纳 米管。

背景技术

碳纳米结构(CNS)共同指具有各种形状的纳米尺寸的碳结构，如，纳米 管、纳米绒毛、富勒烯、纳米锥、纳米角和纳米棒。由于碳纳米结构具有优 异的特性，因此它们能够广泛用于各种技术应用。

特别地，碳纳米管(CNT)是由六角晶格排列的碳原子组成的管状材料， 并且具有大约1至100nm的直径。CNT依据它们的固有手性显示出绝缘性、 导电性或半导电性能。CNT具有碳原子彼此牢固共价结合的结构。由于该结 构，CNT具有的拉伸强度大约是钢的100倍，是高度挠性和弹性的，并且是 化学稳定的。

CNT被分为三种类型：由单层片组成且具有大约1nm直径的单壁CNT (SWCNT)；由两层片组成且具有大约1.4至大约3nm直径的双壁CNT (DWCNT)；以及由三层以上的片组成且具有大约5至大约100nm直径的 多壁CNT(MWCNT)。

由于CNT的高的化学稳定性、挠性和弹性，人们正在研究它们在各种工 业领域(例如，航空航天、燃料电池、复合材料、生物技术、制药、电力/ 电子和半导体工业)中的商业化和应用。但是，CNT由于它的一级结构，在 将直径和长度直接控制至用于实际使用的工业适用的尺寸方面具有局限。因 此，尽管CNT具有优异的物理性能，仍限制了CNT的工业应用和使用。

CNT通常通过各种技术(如电弧放电、激光消融和化学气相沉积)来生 产。但是，电弧放电和激光消融不适合于CNT的大量生产并且需要高电弧生 产成本或昂贵的激光设备。使用气相分散的催化剂的化学气相沉积具有合成 速率极低和最终CNT颗粒的尺寸过小的问题。使用基底负载型催化剂的化学 气相沉积在反应器空间的利用上效率极低，因此不适合于CNT的大量生产。 因此，目前正在进行用于化学气相沉积的催化剂和反应条件的研究以增加 CNT的产率。

也存在对具有小直径并且在与聚合物混合期间能够容易地分散在聚合物 中并与聚合物混合来制造具有改善的物理性能的复合材料的CNT的需要。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供一种用于高产率地生产束状CNT的催化剂，所 述束状CNT具有小直径和大比表面积，并且在与聚合物混合期间容易分散在 聚合物中并与聚合物可混。

本发明的另外的目的是提供一种使用所述催化剂生产的CNT聚集体。

本发明的又一个目的是提供一种含有所述CNT聚集体的导电聚合物复 合材料。

技术方案

本发明的一个方面提供一种用于生产碳纳米管的催化剂，其包括载体和 在所述载体上负载的石墨化金属催化剂，并且在10°至80°的2θ范围内记录 的XRD图谱中的35～38°的2θ角处具有最大衍射峰，其中，当最大衍射峰 的强度和在17～22°的2θ角处的衍射峰的强度分别定义为“a”和“b”时，b/a 的比值至少为0.08。

所述催化剂的XRD图谱在30～33°、43～46°、57～60°和63～67°的2θ 范围内可进一步具有一个或多个衍射峰。

所述催化剂可具有3至50nm的晶体尺寸。

所述催化剂可以是通过以下方法获得的负载型催化剂：在100℃至500℃ 的初次煅烧温度下煅烧氢氧化铝来形成载体，在所述载体上负载催化金属前 体，并且在100℃至800℃的二次煅烧温度下煅烧在所述载体上负载的所述催 化金属前体。

可以通过分选调整所述催化剂以具有30至150μm的粒度和40至80μm 的数均粒子直径。

所述石墨化金属催化剂可选自镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、 铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、镁(Mg)、锰(Mn)、钼(Mo)、铑(Rh)、硅(Si)、钽(Ta)、 钛(Ti)、钨(W)、铀(U)、钒(V)、锆(Zr)及其合金。

所述石墨化金属催化剂可以是包含主催化剂和辅催化剂的二组分或多组 分金属催化剂。

所述主催化剂可选自Co、Fe和它们的混合物，并且所述辅催化剂可选 自Mo、V和它们的混合物。

所述石墨化金属催化剂可以是选自Co/Mo、Co/V、Fe/Mo和Fe/V的二 组分金属催化剂。

基于10摩尔的主催化剂，所述石墨化金属催化剂可包含0.5-5摩尔的辅 催化剂。

基于100重量份的催化剂，可以5至40重量份的量负载所述石墨化催化 剂。

本发明的另一个方面提供一种碳纳米管聚集体，其包括在所述的催化剂 上生长的碳纳米管，其中，所述碳纳米管聚集体具有至少200m²/g的BET 比表面积，并且所述BET比表面积和所述催化剂的晶体尺寸满足以下关系：

y≤-2.1x+400

其中，y是所述BET比表面积(m²/g)，并且x是所述催化剂的晶体尺寸 (nm)。

所述碳纳米管聚集体的BET比表面积和所述催化剂的晶体尺寸可满足 以下关系：

-2.1x+200≤y≤-2.1x+400

其中，y和x是如上述所定义的。

本发明的又一个方面提供一种生产碳纳米管聚集体的方法，其包括使所 述的催化剂与气相碳源接触来形成碳纳米管(CNT)。

所述气相碳源可选自一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、 丙烯、丁烷、丁二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯、甲苯和 它们的混合物。

可使所述催化剂在600℃至750℃的温度下与所述碳源反应。

本发明的再一个方面提供一种包括所述碳纳米管聚集体的复合材料。

所述复合材料可具有与所述催化剂的晶体尺寸成反比的导电性。

有益效果

本发明的催化剂使具有大比表面积并且容易分散在其他物质中并与其他 物质可混的碳纳米管(CNT)的生产成为可能。因此，CNT能够用来制造具有 改善的物理性能的复合材料。因此，CNT适用于各种领域，如能源材料、功 能性复合材料、药物、电池、半导体和显示装置。

附图说明

图1显示了实施例1中制备的催化剂样本的XRD图谱。

图2为表示实施例1中制备的催化剂的晶体尺寸和使用所述催化剂生产 的CNT聚集体的BET比表面积之间的相互关系的图。

图3为实施例1中生产的CNT聚集体的SEM图像。

图4为表示含有实施例1中生产的CNT聚集体的聚合物复合材料的表面 电阻系数的值和用于CNT聚集体的生产的催化剂的晶体尺寸之间的相互关 系的图。

具体实施方式

现在，将更加详细描述本发明。

本发明旨在一种负载型催化剂，其晶体尺寸是通过优化载体的预处理的 处理条件和负载型催化剂的形成来控制的。本发明还旨在一种使用所述负载 型催化剂生产的具有小直径和大比表面积的CNT聚集体和一种含有所述 CNT聚集体的有可控导电性的聚合物复合材料。

本发明的催化剂包括载体和在所述载体上负载的石墨化金属催化剂，并 且在10°至80°的2θ范围内记录的XRD图谱中的35～38°的2θ角处具有最 大衍射峰，其中，当最大衍射峰的强度和在17～22°的2θ角处的衍射峰的强 度分别定义为“a”和“b”时，b/a的比值至少为0.08。

根据一个实施方式，b/a的比值可以为0.15或更小，从0.09至0.15或从 0.09至0.13。

图1显示了根据本发明的一个实施方式的催化剂的样本的XRD图谱。 如图1中显示的，所述催化剂的XRD图谱在30～33°、43～46°、57～60°和 63～67°的2θ范围内可进一步具有一个或多个衍射峰。

根据一个实施方式，在30～33°的2θ角处的衍射峰强度可以是最大衍射 峰的强度的0.3至0.5倍或0.35至0.45倍。

在43～46°的2θ角处的衍射峰强度可以是最大衍射峰的强度的0.1至0.3 倍或0.15至0.25倍。

在57～60°的2θ角处的衍射峰强度可以是最大衍射峰的强度的0.1至 0.25倍或0.15至0.22倍。

在63～67°的2θ角处的衍射峰强度可以是最大衍射峰的强度的0.3至0.5 倍或0.35至0.45倍。

所述催化剂的晶体尺寸可以通过改变用于催化剂的生产的煅烧条件，即， 催化金属的种类、负载的催化金属的量、煅烧的催化金属的量以及煅烧时间 和温度来控制在3至50nm或10nm至50nm的范围内。

所述催化剂的“晶体尺寸”也称作“微晶尺寸”。术语“晶体尺寸”和“微晶尺 寸”在此可互换使用。所述催化剂的微晶尺寸由XRD图谱中观察到的峰的展 宽来计算。更具体地，所述催化剂的微晶尺寸使用以入射角是2θ的一半的模 式的Bragg-Brentano衍射计的Bruker TOPAS程序中的基本方法通过全谱拟 合来计算。因此，所述催化剂的微晶尺寸应当区别于SEM图像确定的催化 剂的粒子直径和粒度。微晶尺寸的测量和计算根据在本领域中已知的标准方 法做出，因此省略它们的详细描述。

如图2中所示，随着本发明的催化剂的晶体尺寸增加，所得的CNT聚集 体的BET比表面积趋向于降低。

特别地，使用本发明的催化剂生产的CNT聚集体具有至少200m²/g的 BET比表面积，并且所述BET比表面积和所述催化剂的晶体尺寸满足以下 关系：

y≤-2.1x+400

其中，y是所述BET比表面积(m²/g)，并且x是所述催化剂的晶体尺寸 (nm)。

更优选地，所述CNT聚集体的比表面积和所述催化剂的晶体尺寸满足以 下一种或多种关系：

-2.1x+200≤y≤-2.1x+400

-2.1x+250≤y≤-2.1x+350

-2.1x+250≤y≤-2.1x+300

-2.1x+270≤y≤-2.1x+320

-2.1x+270≤y≤-2.1x+300

所述CNT聚集体的比表面积通过BET法测量。特别地，所述CNT聚集 体的比表面积通过使用BELSORP-mini II(BEL日本)测量在液氮的温度(77K) 下吸附的氮气的量来计算。

本发明的CNT聚集体可具有200至500m²/g、200至300m²/g、300至 500m²/g、300至400m²/g或200至400m²/g的BET比表面积。

所述CNT聚集体的较大的BET比表面积表明CNT聚集体的较小直径。

随着本发明的CNT聚集体的比表面积增加，含有所述CNT聚集体的聚 合物的导电性趋向于增加。当混合时，含有CNT的聚合物的导电性被认为受 CNT聚集体的物理性能(例如，直径和结晶性)和CNT聚集体的可分散性(与 CNT的形状相关)影响。

所述催化剂的晶体尺寸和含有使用所述催化剂生产的CNT聚集体的聚 合物复合材料的表面电阻系数之间的关系在图4中显示。

参考所述关系，当控制所述催化剂具有小晶体尺寸时，所述CNT聚集体 具有大比表面积(即，小直径)，引起聚合物的高导电性。

根据本发明的一个实施方式，所述负载型催化剂通过以下方法来制备： 在初次煅烧温度下(例如，100℃至500℃的温度)初次煅烧载体前体来获得 载体，在所述载体上负载石墨化催化剂，并且在100℃至800℃的温度下二次 煅烧在所述载体上负载的催化金属前体。

所述碳纳米管聚集体通过使所述负载型催化剂与气相碳源接触来生产。 优选地，以此生产的所述碳纳米管聚集体是束状的且具有至少200m²/g的 BET比表面积(见图3)。

除非另外提及，在此使用的术语“束状”指CNT的二级形状，其中，所述 CNT平行排列或缠绕形成束或绳索，并且在此使用的术语“非束或缠绕状”指 不具有特定形状(如，束样形状或绳索样形状)的碳纳米管的类型。

所述载体前体用于负载所述石墨化催化剂，并且能根据其类型控制CNT 的形状。

作为所述载体前体，可以使用，例如，基于铝的载体前体。所述载体前 体优选为氢氧化铝(ATH)。使用前，所述载体前体可在50至150℃下干燥1 至24小时。

所述初次煅烧温度优选低于500℃，并且大大低于已知的氢氧化铝转化 成氧化铝的温度700℃。特别地，所述初次煅烧可包括在大约100至大约 500℃、大约120至大约450℃、大约200至大约450℃、大约300至大约450℃ 或大约200至大约400℃的温度下的热处理。

以此制备的基于铝(Al)的载体优选包括30重量％或更多的由Al(OH)₃转 化的AlO(OH)，但是不包括Al₂O₃。

所述基于铝(Al)的载体可进一步包括选自ZrO₂、MgO和SiO₂的至少一 种氧化物。所述基于铝(Al)的载体可以是球状或马铃薯样形状，并且可具有 适合于提供每单位重量或体积相对大表面积的结构，如多孔结构、分子筛结 构或蜂窝结构。

根据一个实施方式，所述载体前体可具有大约20至大约200μm的初始 粒子直径，大约0.1至大约1.0cm³/g的孔隙率，以及小于大约1m²/g的比表 面积。

所述初次煅烧时间可以在大约0.5至大约10小时，优选为大约1至大约 5小时范围内，但是不局限于该范围。

可以使所述石墨化催化剂与气相碳源接触形成CNT。将给出CNT生长 的详细描述。首先，使作为气相碳源的含碳物质与所述石墨化催化剂(例如， 石墨化金属催化剂)接触，接着热处理。作为热处理的结果，所述含碳物质 在金属催化剂的表面热分解，并且作为分解结果的由含碳气体形成的碳原子 渗入并溶解在石墨化金属催化剂中。如果渗入的碳原子的量超过溶解度极限， 石墨化金属催化剂的固有特征，所述碳原子形成核，其生长为CNT。

所述石墨化金属催化剂在帮助含碳材料中存在的碳组分彼此结合形成六 边形环结构中起作用。所述石墨化金属材料可以是，例如，用于石墨合成、 碳化诱导或CNT生产的催化剂。更具体地，所述石墨金属催化剂可以选自镍 (Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铬(Cr)、铜(Cu)、镁(Mg)、 锰(Mn)、钼(Mo)、铑(Rh)、硅(Si)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(W)、铀(U)、钒(V)、 锆(Zr)及其合金。

所述石墨催化剂可以是二组分或多组分金属系统。所述二组分或多组分 石墨化催化剂可包括主催化剂和辅催化剂。作为所述主催化剂，可以使用例 如Co、Fe或Ni。作为所述辅催化剂，可以使用例如Mo或V。适合的二组 分或多组分石墨催化剂的例子包括Co/Mo、Co/V、Fe/Mo、Fe/V、Fe/Co、 Fe/Co/V、Fe/Co/Mo、Co/Mo/V、Fe/Mo/V和Fe/Co/Mo/V。更优选的是包括 Co和V的二组分或多组分石墨化催化剂。

基于10摩尔的主催化剂，所述二组分石墨化催化剂可以包括0.1至10 摩尔或0.5至5摩尔的辅催化剂。

所述石墨化催化剂在所述载体上以前体的形式(例如，金属盐、金属氧 化物或金属化合物)负载。石墨化催化剂的适合的前体的例子包括Fe盐、 Fe氧化物、Fe化合物、Ni盐、Ni氧化物、Ni化合物、Co盐、Co氧化物、 Co化合物、Mo氧化物、Mo化合物、Mo盐、V氧化物、V化合物和V盐。 适合的前体的其他例子包括Fe(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₂·9H₂O、Fe(NO₃)₃、 Fe(OAc)₂、Ni(NO₃)₂·6H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O、Co₂(CO)₈、[Co₂(CO)₆(t-BuC＝CH)]、 Co(OAc)₂、(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O、Mo(CO)₆、(NH₄)MoS₄和NH₄VO₃。

所述石墨化催化剂的前体在所述载体上以溶液的形式负载，接着二次煅 烧。由于二次煅烧，所述前体在负载型催化剂中以金属氧化物的形式负载。

更具体地，用于CNT生产的负载型催化剂能够通过以下方法制备，该方 法包括：混合载体(例如，粒状基于铝的载体)和石墨化催化剂前体的水溶 液；以及在真空下干燥所述混合物，在大约100℃至大约500℃的温度下初次 煅烧真空干燥物来形成载体，在所述载体上负载石墨化金属催化剂，并且在 100℃至800℃的温度下二次煅烧负载在载体上的所述催化剂。

根据一个实施方式，所述真空干燥可以在大约40至大约100℃的温度范 围内在真空下通过旋转蒸发进行大约30分钟至大约12小时的时间。

根据一个实施方式，在所述真空干燥前，所述方法可进一步包括在大约 45至大约80℃下用旋转或搅拌老化。所述老化最长可以进行5小时，例如， 20分钟至5小时或1至4小时。

所述二次煅烧在大约100℃至大约800℃(例如，大约200℃至大约800℃ 或大约550℃至大约800℃)的温度下进行以制备所述负载型催化剂。优选 所述二次煅烧温度比所述初次煅烧温度高200至400℃。

通过所述方法制备的负载型催化剂可具有如在所述二次煅烧前测量的大 约30至大约150μm的粒子直径(或平均粒子直径)，并且粒状载体和石墨 化催化剂可各自具有初级粒子直径为大约10至大约50nm的球状或马铃薯 样形状。所述球状或马铃薯样形状指具有1.2或更小长径比的三维形状，如 球或椭圆。

根据本发明的一个实施方式，CNT可以使用流化床反应器来生产。在该 实施方式中，可以在使用前通过分选调节所述负载型催化剂以具有大约30 至大约150μm的粒子直径，和40至80μm或50至70μm的数均粒子直径 (Mn)。该分选的原因是因为允许催化剂流化床在流化床反应器的反应区域中 自由流动是重要的，同时防止催化剂聚集。

根据一个实施方式，基于100重量份的负载型催化剂，所述负载型催化 剂可包括大约5至大约40重量份的石墨化催化剂。但是，石墨化催化剂的含 量不局限于此范围。

在所述负载型催化剂包括基于Co的石墨化催化剂的情况下，基于100 摩尔的载体，所述Co含量可以是大约3至大约100摩尔。

根据一个实施方式，所述负载型催化剂可具有用单层或多层石墨化催化 剂涂布粒状载体(优选基于铝的载体)的表面和孔的结构。

由于以下原因，所述负载型催化剂优选通过浸渍法制备：所述负载型催 化剂与共沉淀催化剂比较具有较高的固有堆密度；不同于共沉淀催化剂，所 述负载型催化剂产生少量10微米或更小尺寸的精细粉末，这在流化期间降低 由于磨损而出现精细粉末的可能性；并且所述负载型催化剂的高机械强度有 效稳定流化床反应器的运转。

负载型催化剂的使用允许通过经由碳源分解的化学气相合成的CNT的 生长，导致CNT的产生。

根据所述化学气相合成，所述石墨化催化剂装入所述反应器中，然后在 环境压力和高温下向所述反应器提供气相碳源以生产碳纳米管。作为碳源的 烃被热分解并渗入所述石墨化催化剂中且使其在其中饱和。碳从饱和的石墨 化催化剂中沉积，并且形成六边形环结构。

所述化学气相合成能够以如下方式下进行：所述负载型催化剂进料到水 平固定床反应器或流化床反应器，并且选自C₁-C₆饱和或不饱和的烃的至少 一种碳源，并且，在大约500℃至大约900℃，或大约500℃至大约800℃， 或大约600℃至大约800℃，或大约600℃至大约750℃，或大约650℃至 大约700℃的温度下任选地与还原气体(例如，氢)和运载气体(例如，氮) 的混合气体一起，被引入到所述反应器中。在所述碳源被引入负载型催化剂 之后，CNT可生长30分钟至8小时。

根据本发明的一个实施方式，CNT可以使用流化床反应器生产。在该实 施方式中，供气口优选在流化床反应器的底部形成。供应气体流经所述供气 口以防止催化剂颗粒聚集或使聚集的催化剂颗粒分成单个颗粒。所述供应气 体可以是碳源与还原气体、运载气体或它们的混合物的混合气体。

在所述方法中用于煅烧或热处理的热源的类型没有限制，并且可以是， 例如，感应加热、辐射加热、激光、红外光、微波、等离子体、紫外光或表 面等离子激元加热。

对于化学气相合成，可以使用能提供碳并且能在300℃或更高的温度下 以气相存在的任何碳源而没有特殊限制。所述气相含碳物质可以是任何含碳 化合物。所述气相含碳物质优选为由最高至6个碳原子组成的化合物，更优 选由最高至4个碳原子组成的化合物。该气相含碳物质的例子包括，但不局 限于，一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、丙烷、丙烯、丁烷、丁 二烯、戊烷、戊烯、环戊二烯、己烷、环己烷、苯和甲苯。这些气相含碳物 质可以单独使用或作为它们的混合物使用。氢和氮的混合气体运送所述碳源， 防止CNT在高温下燃烧，并且有助于碳源的分解。

所述气相碳源、氢和氮可以各种体积比使用，例如，氮:气相碳源:氢的比 可以是1:0.1-10:0-10或1:0.5-1.5:0.5-1.5。可以大约确定反应气体的流速在大 约100sccm至大约10,000sccm的范围内。

通过在高温下热处理CNT生长之后，冷却所述CNT。由于该冷却，所 述CNT更有规律地排列。可以自然冷却所述CNT(即，通过热源的移除)或可 以大约5至大约30℃/min的速率冷却。

由此产生的CNT是束状的，并且具有至少大约200m²/g，优选大约200 m²/g至大约500m²/g的BET比表面积。所述比表面积能够通过BET法测量。

特别地，所述方法使CNT的高产率(例如，大约5倍至大约50倍或大 约10倍至40倍)生产成为可能。碳纳米管的产率能够通过使用电子称测量 在室温下获得的碳纳米管的含量而确定。反应产率能够通过将使用的负载型 催化剂的重量和反应后的总重量代入以下表达式来计算：

CNT产率(倍数)＝(反应后的总重量(g)-使用的负载型催化剂的重量 (g))/使用的负载型催化剂的重量(g)

所述CNT可以是具有大约0.9至大约1的长径比的束状的。此外，所述 CNT可具有大约2nm至大约20nm，优选大约3nm至大约8nm的股径(strand  diameter)。所述CNT的股径随BET比表面积的增加而降低。

所述长径比可由以下表达式定义：

长径比＝经过CNT中心的最短直径/经过CNT中心的最长直径

如上所述，所述CNT具有大BET比表面积，即小直径，并且是束状的。 基于该特征，所述CNT容易分散在其他材料(例如，聚合物)中并与其他材 料可混，并且因此能够用来制造具有改善的物理性能的复合材料。

因此，所述CNT适用于制造各种显示装置，如，LCD、OLED、PDP和 电子纸、电极结构(如，太阳能电池、燃料电池、锂电池和超级电容器)，功 能性复合材料、能源材料、药物和半导体(如FET)。

实施例

提供以下实施例有助于理解本发明。但是，对本领域的技术人员明显可 见这些实施例仅用作说明，并且在不偏离本发明的范围和实质的情况下，各 种修改和改变是可能的。因此，应当理解的是该修改和改变包括在所附权利 要求的范围内。

实施例1

A.石墨化金属催化剂前体的水溶液的制备

通过以下步骤制备作为石墨化催化剂的Co-V金属催化剂。

将柠檬酸加入到在烧瓶A中的作为V前体的NH₄VO₃在20ml水中的溶 液中，然后向其中加入作为Co前体的Co(NO₃)₂·6H₂O来制备金属水溶液。 以Co:V的摩尔比为10:1的量加入所述V前体和所述Co前体。观察所述金 属水溶液至澄清并无沉淀。

B.载体的制备

在250至500℃的不同温度下煅烧作为基于铝的载体前体的氢氧化铝 (Al(OH)₃,ATH)4h来获得载体。所述煅烧温度在表2中显示。在烧瓶B中放 置20g的各个载体。XRD分析显示在煅烧的载体中存在40wt％的AlO(OH)。

C.负载型催化剂的制备

向烧瓶B中加入烧瓶A中的40g溶液，以便当将载体ATH400(20g) 的摩尔数设定为100摩尔时，Co和V的摩尔数分别为30摩尔和3摩尔。将 所述石墨化催化金属前体充分地负载在所述载体ATH400上，并且在60℃的 恒温浴中搅拌5min老化。在保持该温度的同时，以80rpm旋转老化的在所 述载体上负载的石墨化催化剂并且在真空下干燥60min。在675℃下二次煅 烧所述干燥的催化剂4h来生产负载型催化剂。

分析催化剂样本1至5的相，并且使用XRD系统测量催化剂样本的晶 体尺寸。XRD系统的说明如下：

Bruker AXS D4 Endeavor XRD(电压:40kV,电流:40mA)

Cu Kα辐射(波长:)

LynxEye位置灵敏探测器(3.7°狭缝)

催化剂样本的XRD图谱在图1中显示，并且衍射峰在表1中显示。不 管晶体的大小，所述XRD图谱大体上相同。

[表1]

2θ(Cu Kα) 样本1 样本2 样本3 样本4 样本5 19.0 11 10 11 11 12 31.2 41 39 41 40 39 36.8 100 100 100 100 100 44.8 23 20 20 17 17 55.6 8 9 9 10 10 59.3 18 18 18 19 19 65.2 40 40 41 42 43

除如表2中所示改变Co含量之外，以与上述相同方式生产负载型催化 剂。所述负载型催化剂的晶体尺寸通过全谱拟合来计算，并且与Co含量和 煅烧温度一起在表2中显示。

[表2]

样本 催化剂/煅烧温度(℃) Co含量(wt％) 晶体尺寸(nm) 1 CoV/400-675 10 14 2 CoV/400-675 12.7 18 3 CoV/400-675 15 24 4 CoV/500-675 15 28 5 CoV/250-675 15 46

D.CNT合成

在实验室规模的流化床反应器中进行使用各个负载型催化剂合成CNT 的试验。具体地，在内径为58mm且长度为1200mm的石英管反应器中放 入C中制备的负载型催化剂，并且将其在氮气氛下加热至675℃。在保持相 同温度的同时，使体积比为5.5:1:1的氮、氢和乙烯气体的混合气体以4000 ml/min的速率流动总计2h，生产CNT聚集体。

CNT聚集体的比表面积和产率在表3中显示。所述比表面积通过BET 法测量。具体地，所述比表面积通过使用BELSORP-mini II(BEL日本)测量 在液氮温度(77K)下吸附的氮气的量来计算。

[表3]

样本 晶体尺寸(nm) BET比表面积(m²/g) 产率(倍数) 1 14 257 14 2 18 247 16.4 3 24 242 22 4 28 224 22.7 5 46 190 14

催化剂的晶体尺寸和CNT聚集体的BET比表面积之间的关系在图2中 显示。

如图2中所示，催化剂的晶体尺寸与CNT聚集体的比表面积成反比，即， 随着催化剂的晶体尺寸降低，CNT聚集体的比表面积增加。

图3是CNT聚集体之一的SEM图像。图3表明所述CNT聚集体是束 状的。

聚合物复合材料的导电性的测量

将3wt％的各个CNT聚集体与聚碳酸酯(MI 22)混合。在240-280℃下使 用双螺杆挤出机熔融挤出所述混合物来制造颗粒形式的复合物。制备复合物 的样本用于导电性测量。使用表面电阻仪(SRM-110,PINION)测量样本的表面 电阻系数。聚合物复合材料的表面电阻系数的值和催化剂的晶体尺寸之间的 关系在图4中显示。

图4表明随着催化剂的晶体尺寸降低，聚合物复合材料的表面电阻系数 降低，即，聚合物复合材料的导电性增加。这可以认为是与随催化剂的晶体 尺寸的降低而增加的CNT聚集体的比表面积有关。

总之，CNT聚集体的比表面积和包含CNT聚集体的聚合物复合材料的 导电性能够通过改变负载型催化剂的晶体尺寸来控制。

工业实用性

本发明的催化剂使具有大比表面积并且容易分散在其他物质中并与其他 物质可混的碳纳米管(CNT)的生产成为可能。因此，CNT能够用来制造具有 改善的物理性能的复合材料。因此，CNT适用于各种领域，如能源材料、功 能性复合材料、药物、电池、半导体和显示装置。