以Cu、Ni、Co和Fe为催化剂化学气相沉积纳米碳纤维的研究

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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。
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