用于合成多壁碳纳米管的催化剂、其催化剂的制备方法及由其催化剂合成的多壁碳纳米管

摘要

本发明涉及用于合成多壁碳纳米管的催化剂，更具体地，涉及用于合成使经合成的多壁碳纳米管容易分散，并且可显著提高导电性的多壁碳纳米管的催化剂、其催化剂的制备方法及由其催化剂合成而成的多壁碳纳米管。

说明书

技术领域

本发明涉及用于合成多壁碳纳米管的催化剂，更具体地，涉及用于合成使经合成的多壁碳纳米管容易分散，并且可显著提高导电性的多壁碳纳米管的催化剂、其催化剂的制备方法及由其催化剂合成的多壁碳纳米管。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotube：CNT)作为碳之间相结合为六边形而形成圆筒型管结构的碳同素异形体的一种，呈直径为数nm程度的小的管形状，从而被称为纳米管。这种碳纳米管由于空心而轻，与相同的粗细的钢铁相比，具有最大100倍以上的拉伸强度及无损地弯曲至90°的物性，从而作为新原材料受到瞩目。并且，具有高的导热性及导电性，根据碳层被缠的角度呈现导体和半导体的性质。并且，碳纳米管根据壁的数量还区分为单壁碳纳米管(single walled carbonnanotube：SWNT)、多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube：MWNT)。

通常，碳纳米管可利用放电法、激光蒸镀法、等离子体化学气相沉积法、热化学沉积法、气相合成法及电解法等制备，其中，在气相合成法的情况下，不使用基板，并且向反应炉内直接供给含碳的气体和催化剂金属，来进行反应而形成碳纳米管的沉积物，因而既可大量合成碳纳米管，又经济性优秀而最受到瞩目。在这种气相合成法中，必须使用催化剂金属，并且作为催化剂金属的Ni、Co或Fe等使用得最多。各个催化剂金属粒子作为一个种源(seed)起到作用来形成碳纳 米管。

另一方面，作为针对于碳纳米管及用于制备其的催化剂的现有文献有韩国公开专利第2010/0042765号的碳纳米管合成用负载型催化剂、其制备方法及利用其的碳纳米管以及第2012/0093458号的具有垂直定向的束结构的高导电性碳纳米管及利用其的高导电性高分子纳米复合材料组合物，并分别针对于破碎的球形形状的催化剂及薄片型催化剂进行公开，但是在经济上,大量生产具有碳纳米管的优秀特性的高品质碳纳米管仍然存在困难。

即，由于催化剂的比表面积不宽，从而针对于所使用的催化剂量的碳纳米管的生产量不多，或者已生产的碳纳米管的比表面积不宽，质量不规定，因而在充分地利用碳纳米管的优秀的特性来使用于多种潜在性用途中存在不足之处。

发明内容

技术问题

本发明为了解决如上所述的现有技术的问题而提出，本发明的目的在于，提供如下技术：制备按每1g催化剂生长的碳纳米管的体积除以1g体积的值为30以上的宽的比表面积的催化剂，并利用上述催化剂制备具有宽的比表面积的优质多壁碳纳米管(优选地，碳纳米管的直径为3～10nm，壁的数量为3～10个)，尤其，以低费用可大量生产使导电性及分散性大大提高的多壁碳纳米管。

但是，本发明所要解决的问题并不局限于以上所述的问题，本发明所属领域的普通技术人员可从以下的记载中明确地理解未提及的其他问题。

技术方案

本发明的一实施方式提供多壁碳纳米管，上述多壁碳纳米管由以 下式(1)表示的按每1g催化剂生长的碳纳米管的体积除以1g催化剂的体积的值为30以上。

V_t/c＝(W_t×γ_t)/(W_c×γ_c)(1)

在上述式(1)中，γ_t＝1/ρ_t、γ_c＝1/ρ_c，W_t为能够以单位催化剂(lg)生长的碳纳米管的重量，W_c为单位催化剂的重量，上述单位催化剂的重量为lg，ρ_t为碳纳米管的表观密度，ρ_c为催化剂的表观密度。

本发明的再一实施方式提供多壁碳纳米管，上述多壁碳纳米管的特征在于，表面积为400～1000m²/g。例如，多壁碳纳米管的上述表面积为400～1000m²/g，优选为500～1000m²/g，更优选为600～1000m²/g，但并不局限于此。

本发明的另一实施方式提供含有多壁碳纳米管的复合体。尤其，复合体可包含0.5重量百分比以上的多壁碳纳米管，由此可具有导电性，复合体的基质可以为聚合物、陶瓷、金属或它们的混合物。

本发明的还有一实施方式提供包括多壁碳纳米管的能量储存装置。

本发明的又一实施方式提供碳纳米管生长用板状催化剂，上述碳纳米管生长用板状催化剂包含选自由Fe、Co、Ca、Ni及Mo组成的组中的一种以上成分，并包含选自由Mn、Al、Mg及Si组成的组中的一种以上成分，上述碳纳米管生长用板状催化剂具有由以下化学式1表示的组成比，上述碳纳米管生长用板状催化剂的表观密度为0.05～0.07g/ml，在由以下式(2)表示的按每1g催化剂生长的多壁碳纳米管的体积除以1g催化剂的体积的值为30以上。

化学式1：

(Fe_a、Co_b、Ca_c、Ni_d及Mo_e)(Mn_w、Al_x、Mg_y及Si_z)

在上述化学式1中，a、b、c、d、e、w、x、y及z分别表示各元素的摩尔分率，0≤a≤10、0≤b≤10、0≤c≤10、0≤d≤10、0≤e≤10、0≤w≤30、0≤x≤30、0≤y≤30、0≤z≤30，且2≤a+b+c+d+e+w+x+y+z≤170、2≤a+b+c+d+e≤50、2≤w+x+y+z≤50。

V_t/c＝(W_t×γ_t)/(W_c×γ_c)(2)

在上述式(2)中，γ_t＝1/ρ_t、γ_c＝1/ρ_c，W_t为能够以单位催化剂(lg)生长的碳纳米管的重量，W_c为单位催化剂的重量，上述单位催化剂的重量为lg，ρ_t为碳纳米管的表观密度，ρ_c为催化剂的表观密度。

本发明的又一实施方式提供比表面积为120m²/g以上的碳纳米管生长用板状催化剂。

本发明的又一实施方式提供包含板状催化剂的碳纳米管。在板状催化剂的情况下，具有如下优点：与球形或针状催化剂相比，上述板状催化剂的比表面积宽，碳纳米管可在催化剂的上部面及下部面同时生长。

本发明的又一实施方式提供碳纳米管生长用板状催化剂的制备方法，上述碳纳米管生长用板状催化剂的制备方法包括：混合步骤(a)，将选自Fe、Co、Ca、Ni及Mo的反应前体的一种以上成分与选自Mn、Al、Mg及Si的反应前体的一种以上成分进行混合来生成混合物；以及步骤(b)，在400～900℃温度下，对上述混合物进行液滴喷雾并进行烧成。

本发明的板状催化剂的各个面可呈扁平的形状或具有曲率的曲面形状(弯曲形状)，但并不局限于此。

有益效果

利用本发明的催化剂制备方法制备而成的板状催化剂的表观密度非常小。即，与重量相比，上述板状催化剂的表面积非常宽，因而若利用这种催化剂合成碳纳米管，则不仅分散的能量少，而且在分散过程中长度受损的程度非常低，从而可维持高的导电性。

利用本发明的制备方法制备而成的催化剂来合成的多壁碳纳米管具有仅次于单壁碳纳米管(SWNT)的直径，上述多壁碳纳米管的壁(wall)的数量为3～10个且处于非常均匀的状态，并且，上述多壁碳纳米管的比表面积大，从而呈现非常高的导电性。

并且，利用本发明的催化剂来进行生长的碳纳米管具有98％以上的纯度，从而可利用相同量的催化剂来合成多数倍以上的量的多壁碳纳米管。

附图说明

图1为根据本发明的实施例1制备而成的催化剂的扫描电子显微镜(scanning electron microscope：SEM)图像。

图2为根据本发明的实施例1制备而成的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜及透射电子显微镜(transmission electron microscope：TEM)图像。

图3为根据本发明的实施例2制备而成的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜及透射电子显微镜图像。

图4为表示基于多壁碳纳米管的含量的表面电阻的曲线图。

图5为表示用于合成多壁碳纳米管的催化剂的制备方法的简要图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实例及实施例，以便本发明所 属技术领域的普通技术人员能够容易实施。但是，本发明能够以多种不同的方式实现，并不局限于在此说明的实例及实施例。为了明确说明本发明，省略了与说明无关的部分。

在说明书全文中，当某一部分“包含”某种结构要素时，这是在无特别相反的记载的情况下，不是排除其他结构要素，而是意味着还包含其他结构要素。

在本说明书中所使用的表示程度的术语“约”以在所涉及的意义上提示固有的制备及物质允许误差时，在其数值中，或者与其数值接近的意义来使用，为了防止昧良心的侵害人不当地利用便于理解本发明所涉及的准确或绝对的数值的公开内容而使用。并且，在说明书全文中“～步骤”或者“～的步骤”并不意味着“用于～的步骤”。

以下，参照附图对本发明的实例及实施例进行详细说明。但是本发明并不局限于这些实例及实施例和附图。

本发明的一实施方式提供多壁碳纳米管，上述多壁碳纳米管由以下式(1)表示的按每1g催化剂生长的多壁碳纳米管的体积除以1g催化剂的体积的值为30以上。

V_t/c＝(W_t×γ_t)/(W_c×γ_c)>

在上述式(1)中，γ_t＝1/ρ_t、γ_c＝1/ρ_c，W_t为能够以单位催化剂(lg)生长的碳纳米管的重量，W_c为单位催化剂的重量，上述单位催化剂的重量为lg，ρ_t为碳纳米管的表观密度，ρ_c为催化剂的表观密度。

本发明的再一实施方式提供多壁碳纳米管，上述多壁碳纳米管的特征在于，表面积为400～1000m²/g。例如，多壁碳纳米管的上述表面积为400～1000m²/g，优选为500～1000m²/g，更优选为600～1000m²/g， 但并不局限于此。这种变面积作为在非单壁碳纳米管的多壁碳纳米管中曾未观察到的宽的表面积，这种表面积的原因在于，利用本发明的催化剂进行生长的碳纳米管具有多壁，但是壁的数量少且碳纳米管的直径小。

在本发明的一实例中，其特征在于，多壁碳纳米管的直径为3～10nm，壁的数量为3～10个，但并不局限于此。例如，上述多壁碳纳米管的直径为3～10nm，优选为3～6nm，更优选为3～5nm，上述多壁碳纳米管的壁的数量为3～10个，优选为3～6个，更优选为3～5个。

在本发明的一实例中，本发明的特征在于，多壁碳纳米管的纯度为98％以上，但并不局限于此。

本发明的另一实施方式提供包含多壁碳纳米管的复合体。尤其，复合体可包含0.5重量百分比以上的多壁碳纳米管，由此可具有导电性，复合体的基质可以为聚合物、陶瓷、金属或它们的混合物。上述聚合物可以为热塑性聚合物或热固性聚合物，但并不局限于此。

热塑性树脂作为可塑性聚合物或变形性聚合物，可溶解为液体，固化之后还重新溶解来实现再成型。例如，作为热塑性树脂可使用丙烯酸树脂、氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、乙烯基乙酰树脂、甲基丙烯酸甲酯树脂、苯乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂或聚酰胺树脂(尼龙)等，但并不局限于此。

热固性树脂作为若施加能量就固化成强力的形态的聚合物原材料，若一旦固化，就无法重新加热或进行成型。例如，作为上述热固性树脂可使用酚醛树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、醇酸树脂或硅树脂等，但并不局限于此。

在碳纳米管导电性复合体的导电率中，通常在多壁碳纳米管的情况下，在约1～2重量百分比的含量下，发生电渗透(percolation)。在作为非常低的浓度的0.5重量百分比下，本发明的多壁碳纳米管也呈现导电性。例如，利用其的导电性复合体可利用于散装型(bulk type)复合体、薄膜型复合体、能源领域及电子电器领域，具体地，还可利用为利用于电子元件防静电及静电分散用塑料、拥有电磁波屏蔽及散热特性的塑料、利用于有机发光二极管(OLED)和太阳能电池的导电性透明电极、锂离子电池添加剂以及还可利用为混凝土强化及散热用碳纳米管复合体，但并不局限于此。

本发明的还有一实施方式提供包括多壁碳纳米管的能量储存装置。包含多壁碳纳米管的碳材料作为左右能量储存装置的性能的非常重要的物质，例如，作为利用其的能源储存装置有一次电池、二次电池、超级电容器(super-capacitor)、燃料电池、太阳能电池，但并不局限于此。

本发明的又一实施方式提供碳纳米管生长用板状催化剂，上述碳纳米管生长用板状催化剂包含选自由Fe、Co、Ca、Ni及Mo组成的组中的一种以上成分(优选为两种以上成分)，并包含选自由Mn、Al、Mg及Si组成的组中的一种以上成分(优选为两种以上成分)，上述碳纳米管生长用板状催化剂具有由以下化学式1表示的组成比，上述碳纳米管生长用板状催化剂的表观密度为0.05～0.07g/ml，在由以下式(2)表示的按每1g催化剂生长的碳纳米管的体积除以1g催化剂的体积的值为30以上。

化学式1：

(Fe_a、Co_b、Ca_c、Ni_d及Mo_e)(Mn_w、Al_x、Mg_y及Si_z)

在上述化学式1中，a、b、c、d、e、w、x、y及z分别表示各元 素的摩尔分率，0≤a≤10、0≤b≤10、0≤c≤10、0≤d≤10、0≤e≤10、0≤w≤30、0≤x≤30、0≤y≤30、0≤z≤30，且2≤a+b+c+d+e+w+x+y+z≤170、2≤a+b+c+d+e≤50、2≤w+x+y+z≤50。

V_t/c＝(W_t×γ_t)/(W_c×γ_c)>

在上述式(2)中，γ_t＝1/ρ_t、γ_c＝1/ρ_c，W_t为能够以单位催化剂(lg)生长的碳纳米管的重量，W_c为单位催化剂的重量，上述单位催化剂的重量为lg，ρ_t为碳纳米管的表观密度，ρ_c为催化剂的表观密度。

在本发明的一实例中，例如，上述催化剂可包含选自作为包含铁(Fe)成分的四水合氯化亚铁(Iron(II)chloride tetrahydrate)、七水合硫酸亚铁(Iron(II)sulfate heptahydrate)、无水三氯化铁(Iron(III)chloride anhydrous)、九水合硝酸铁(Iron(III)nitratenonahydrate)及十二水合硫酸铁铵(Ammonium iron(III)sulfatedodecahydrate)；作为包含钴(Co)的物质的四水合乙酸亚钴(Cobalt(II)acetate tetrahydrate)、六水合二氯化钴(Cobalt(II)chloridehexahydrate)、六水合硝酸钴(Cobalt(II)nitrate hexahydrate)及七水合硫酸钴(Cobalt(II)sulfate heptahydrate)；作为包含钙(ca)的物质的一水乙酸钙(Calcium acetate monohydrate)、无水氯化钙(Calcium chloride anhydrous)、四水合硝酸钙(Calcium nitratetetrahydrate)及二水合硫酸钙(Calcium sulfate dihydrate)；作为含镍(Ni)的物质的六水合氯化镍(Nickel(II)chloride hexahydrate)、六水合硝酸镍(Nickel(II)nitrate hexahydrate)、六水合硫酸镍(Nickel(II)sulfate hexahydrate)及四水合钼酸铵(Ammonium molybdatetetrahydrate)；作为包含锰(Mn)的物质的四水合乙酸锰(Manganese(II)acetate tetrahydrate)、四水合氯化锰(Manganese(II)chloridetetrahydrate)、六水合硝酸锰(Manganese(II)nitrate hexahydrate)及一水硫酸锰(Manganese(II)sulfate monohydrate)；作为包含铝(Al)的物质的六水合氯化铝(Aluminium chloride hexahydrate)、氢 氧化铝(Aluminium hydroxide)、异丙醇铝(Aluminium isopropoxide)及九水合硝酸铝(Aluminium nitrate nonahydrate)；作为包含镁(Mg)的物质的四水合乙酸镁(Magnesium acetate tetrahydrate)、六水合氯化镁(Magnesium chloride hexahydrate)、氢氧化镁(Magnesiumhydroxide)、六水合硝酸镁(Magnesium nitrate hexahydrate)及无水硫酸镁(Magnesium sulfate anhydrous)；作为包含硅(Si)的物质的二氧化硅(Silicon dioxide)、碳化硅(Silicon carbide)、硅(Silicon)、硅(IV)(Silicon(IV))氯化物(chloride)及它们的组合组成的组中的催化剂，但并不局限于此。

本发明的又一实施方式提供比表面积为120m²/g以上的碳纳米管生长用板状催化剂。利用本发明的按每1g催化剂生长的碳纳米管的体积除以1g催化剂的体积的值为30以上的碳纳米管生长用板状催化剂，来增大活性反应面积，从而可大量生产比表面积宽的碳纳米管。利用本发明的比表面积宽的催化剂来合成而成的碳纳米管具有低的分散能量及高的导电性。

本发明的又一实施方式提供包含板状催化剂的碳纳米管。在上述板状催化剂的情况下，具有如下优点：与球形或针状催化剂相比，上述板状催化剂的表面积宽，碳纳米管可在催化剂的上部面及下部面同时生长，从而可提高碳纳米管的生产量。

本发明的又一实施方式提供碳纳米管生长用板状催化剂的制备方法，上述碳纳米管生长用板状催化剂的制备方法包括：混合步骤(a)，将选自Fe、Co、Ca、Ni及Mo的反应前体的一种以上成分与选自Mn、Al、Mg及Si的反应前体的一种以上成分进行混合来生成混合物；以及步骤(b)，在400～900℃温度下，对上述混合物进行液滴喷雾并进行烧成。在上述步骤(a)之后进行步骤(b)，例如，对上述混合物进行液滴喷雾的高温的范围为400～900℃，优选为400～700℃，更优选为400～500℃。

以下，利用实施例对本发明进行详细说明，但是本发明并不局限于此。

实施例

实施例1

在100ml的水中投入Mg(NO₃)₂·6H₂O和A1C1₃·6H₂O之后，进行搅拌，使得Al和Mg的摩尔数之和成为16，投入Fe(NO₃)₂·9H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O之后，进行搅拌，使得Fe和Co的摩尔数之和成为 5。之后，在400～900℃温度下，对上述混合物进行液滴喷雾并进行烧成，从而获取催化剂。

实施例2

使用与实施例1中记载的方法相同的制备方法，并将Al和Mg的摩尔数之和改变为20来制备了金属催化剂。

制备例1

在碳源气体及惰性气体条件下，利用上述实施例1的已获取的催化剂，通过将反应器的温度升温为400～1200℃的气相沉积法来制备了碳纳米管。

制备例2

在碳源气体及惰性气体条件下，利用上述实施例2的已获取的催化剂，通过将反应器的温度升温为400～1200℃的气相沉积法来制备了碳纳米管。

在制备例1及制备例2中，作为为了制备碳纳米管而使用的反应器可使用配置式反应器、流化床反应器、回转窑反应器等，作为流化床反应器可使用环形的流化床反应器，但并不局限于此。

根据实施例1及实施例2制备了比表面积最大化的微粒子的板状催化剂。

图1为根据实施例1制备而成的催化剂的扫描电子显微镜图像。布鲁诺尔-埃米特-泰勒(BET，Brunauer Emmett Teller)比表面积测定结果为142m²/g，催化剂的表观密度适用了韩国产业标准(KS>

即，为了测定表观密度，在直径为100±10mm，在规定的高度的 直壁中无子口，当完全填满时，与具有1000cm³的容量的气缸型容器的边缘进行比较，在不高于50mm以上的高度上，向容器的中间部分添加催化剂，此时使用了过量的催化剂，使得制备高于容器的边缘的圆锥形。将直尺或勺子以水平的方式相对于容器的边缘呈直角且无缝地相接触之后扫一次而填平表面，并与催化剂一同测定了重量。减去气缸的重量，来以最靠近的g数来确定了催化剂的质量。

根据如上所述测定的实施1及实施例2制备而成的催化剂的表观密度分别为0.05g/ml和0.02g/ml。

利用根据上述实施1及实施例2制备而成的催化剂，来制备制备例1及制备例2的多壁碳纳米管，此时，按每1g催化剂合成而成的碳纳米管的量分别为90g和80g。

利用制备例1及制备例2合成而成的多壁碳纳米管的表观密度(根据KS M ISO 1306测定)为0.01g/ml，利用透射电子显微镜测定的碳纳米管的直径为5～8nm。

纯度呈现98％以上，纯度的测定适用了韩国产业标准(灰分含量KS M ISO 1125)。

即，为了测定纯度，在封闭的电炉中，将坩埚以550±25℃的温度盖盖子来进行加热之后，将坩埚和盖子放入干燥器。冷却至室温，并将重量测定至0.1mg。在125℃的干燥器中，将略超过2g的碳纳米管干燥1小时之后，冷却至室温。将碳纳米管放入于已测定重量的坩埚，来将重量测定至0.1mg，并且将碳纳米管放入于800±25℃的电炉内打开盖子进行加热至使碳纳米管成为规定量为止。盖盖子之后向干燥器移动来冷却至室温之后，将重量测定至0.1mg为止。清洗坩埚和盖子，在125℃的干燥器内进行干燥之后，将重量再测定至0.1mg。

利用制备例1及制备例2合成而成的多壁碳纳米管的布鲁诺尔-埃米特-泰勒比表面积均为600m²/g，各个体积重量比(V_t/c)呈现450和160。在利用制备例1所生成的多壁碳纳米管中，利用单位催化剂(lg)所生长的碳纳米管的体积重量比(V_t/c)为450是指相对于单位催化剂1g具有的体积所生长的多壁碳纳米管的体积成为450倍。

即，单位催化剂lg的体积为20ml，因而是指利用板状催化剂来进行生长的多壁碳纳米管的体积为9000ml(9Liter)。

图2及图3分别表示根据制备例1及制备例2制备而成的碳纳米管的扫描电子显微镜及透射电子显微镜图像。由此可确认，利用500μm、50μm、1μm、20μm的比例尺测定的碳纳米管。

图4作为表示根据使用本发明的催化剂来进行生长的多壁碳纳米管的含量的复合体的表面电阻的曲线图，为了确认导电性而进行测定。利用双螺杆挤压机(twin screw extruder)来使所制备的多壁碳纳米管的含量不同，从而制备了尼龙66/多壁碳纳米管复合体。

如图4所示，可知如下：从0.5重量百分比的多壁碳纳米管含量起复合体开始呈现导电性，随着多壁碳纳米管的含量增加，复合体的导电性急剧变高(随着多壁碳纳米管的含量的增加呈现表面电阻的急剧地减少)。

利用本发明的催化剂合成的分散性高的多壁碳纳米管在低的含量(0.5重量百分比)下，在聚合物基质内也呈现高的导电性。

图5为表示用于合成多壁碳纳米管的催化剂的制备方法的简要图。

如上所述，利用本发明的催化剂制备方法制备而成的催化剂(板 状催化剂)的表观密度非常小。即，相对于重量表面积非常宽，从而可增大多壁碳纳米管的生产量，当进行分散时，利用这种催化剂来合成的多壁碳纳米管不仅分散能量少，而且在分散过程中长度受损的程度非常低，从而可维持高的导电性。

并且，利用本发明的制备方法制备而成的催化剂来合成的高纯度的多壁碳纳米管具有仅次于单壁碳纳米管的直径，上述多壁碳纳米管的壁的数量为3～10个且处于非常均匀的状态，并且，上述多壁碳纳米管的表面积大，从而呈现非常高的导电性。

上述的本发明的说明用于例示，本发明所属技术领域的普通技术人员能够理解可以在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下，以其他不同的具体方式来容易实施变形。因此，要理解的是，以上所述的实施例在所有方面均为例示，而并非限定。

应解释为本发明的范围通过上述的发明要求保护范围来示出，而不是通过上述的详细说明来示出，其发明要求保护范围的意义及范围以及从其同等概念导出的所有变更或所变形的方式包括在本发明的范围。