制造碳纳米管的负载型催化剂

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年12月11日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0173605号韩国专利申请的权益，其公开内容通过引用的方式全部并入本文。

本发明涉及用于制造碳纳米管的负载型催化剂，和使用该负载型催化剂制造碳纳米管的方法。

背景技术

根据材料的形状，碳纳米材料可分为富勒烯、碳纳米管(CNT)、石墨烯、石墨纳米板等，其中，碳纳米管是其中一个碳原子与三个其他碳原子键合的六角蜂窝状石墨的表面被圆形地卷为纳米尺寸的直径的大分子。

碳纳米管中空，因此重量轻，并且导电性和铜一样好，导热性和金刚石一样优异，且抗拉强度和钢一样好。根据其卷制形状，碳纳米管可分为单壁碳纳米管(SWCNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)和绳状碳纳米管。

近年来，正在积极进行能够一次性合成大量碳纳米管的碳纳米管合成技术的研究，在各种方法中，使用流化床反应器的热化学气相沉积备受青睐，因为它能够容易地连续合成大量碳纳米管。

在这种碳纳米管的合成中，相对于所用催化剂的量而言，要增加所制造的碳纳米管的产率来降低生产成本并提高生产率，因此，通常采用通过增加载体中负载的活性组分的量来增加催化剂活性的方法。然而，在增加活性组分的负载量的情况下，当负载预定量或更多的活性组分时，问题在于在制造负载型催化剂的过程中在活性组分之间发生烧结，从而降低催化剂的活性。

因此，需要对制造碳纳米管的负载型催化剂进行额外的研究，使该负载型催化剂能够通过优化活性组分的负载量来最大限度地提高碳纳米管的生产效率。

现有技术文献

(专利文献1)KR 10-2010-0074002A

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，该负载型催化剂能够通过使活性组分的负载量最大化同时优化活性组分的负载效率来提高碳纳米管的合成产率。

技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂。

(1)本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，所述催化剂包含数均粒径(D

(2)在(1)中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中所述载体的数均粒径为4.0μm至20μm。

(3)在(1)或(2)中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中所述载体的数均粒径为4.0μm至19μm。

(4)在(1)至(3)的任一项中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中基于用于制造碳纳米管的负载型催化剂的总重量，所述活性组分的含量为5重量％至30重量％。

(5)在(1)至(4)的任一项中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中所述活性组分包含主催化剂成分和助催化剂成分，且主催化剂成分和助催化剂成分的摩尔比为10:0.1至10:10。

(6)在(1)至(5)的任一项中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中主催化剂成分是选自镍、钴和铁中的一种以上。

(7)在(1)至(6)的任一项中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中助催化剂成分是选自钼和钒中的一种以上。

(8)在(1)至(7)的任一项中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，其中负载型催化剂用于制造束型碳纳米管。

(9)本发明提供了一种用于制造碳纳米管的方法，所述方法包括将(1)至(8)的任一项的用于制造碳纳米管的负载型催化剂和床用碳纳米管注入流化床反应器，和向流化床反应器供应碳源气体和流动气体，然后使碳源气体和流动气体反应以制造碳纳米管。

(10)在(9)中，本发明提供了一种用于制造碳纳米管的方法，其中碳纳米管是束型碳纳米管。

有利效果

本发明的用于制造碳纳米管的负载型催化剂具有优异的催化活性，这是因为根据载体的选择优化了活性组分的负载量，从而增加了活性组分的有效量，并且因此，相对于催化剂的输入量，可增加所生产的碳纳米管的生产量。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述本发明。

应当理解，本发明的说明书和权利要求书中使用的单词或术语不应被解释为仅具有常用词典中定义的含义。将进一步理解，基于发明人可以适当地定义词语或术语的含义以最好地解释发明的原则，词语或术语应被解释为具有与其在相关技术和本发明的技术构思的背景下的含义一致的含义。

本发明中使用的术语“碳纳米管”指的是其中碳纳米管单元被组装以全部或部分地形成束的二级结构，并且碳纳米管单元具有纳米尺寸直径的圆柱形石墨表面，并具有sp2键合结构。此时，根据石墨片卷制的角度和结构，可能会显示出导体性质或半导体性质。根据形成壁的键的数量，碳纳米管单元可分为单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管(DWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)，且壁越薄，电阻越低。

本发明的碳纳米管可包括单壁碳纳米管单元、双壁碳纳米管单元和多壁碳纳米管单元中的一个或两个以上。

用于制造碳纳米管的负载型催化剂

根据本发明的实施方式，提供一种用于制造碳纳米管的负载型催化剂，该催化剂包含：数均粒径(D

本发明的负载型催化剂选择具有特定粒径的载体，因此可增加负载的活性组分的有效量，因此，相对于所使用的催化剂的量，所制造的碳纳米管的量可显著增加。

根据本发明实施方式的用于制造碳纳米管的负载型催化剂特别适合用于生产束型碳纳米管。束型碳纳米管是指具有束或绳形式的二级形状的碳纳米管，其中多个碳纳米管沿预定方向平行排列或对齐。与多个碳纳米管以无方向性的方式缠结在一起的球体或马铃薯形状的二级形状的缠结型碳纳米管相比，束型碳纳米管在溶剂中具有高分散性，因此适合以分散形式制造。当使用本发明的用于制造碳纳米管的负载型催化剂时，可以更容易地制备束型碳纳米管。

以下，将更详细地描述根据本发明实施方式的负载型催化剂。

载体

根据本发明实施方式的载体的数均粒径(D

具体而言，载体的数均粒径可以为1.5μm至20μm，优选4.0μm至20μm，更优选4.0μm至19.0μm。当载体的平数均粒径小于1.5μm时，负载型催化剂的颗粒由于它们之间的内聚力而聚集在一起，当大于20μm时，活性组分的有效量不再增加，因此用作活性组分的金属中可能会有损失，而且，由于载体中负载的活性组分的不均匀性使得可能会增加生产成本并降低生产率。由于粒径分布更精细地控制在上述优选范围内，因此载体中负载的活性组分的有效量可进一步增加。

载体的粒径分布性能可直接反映在用于制造碳纳米管的负载型催化剂中，并且具有这种粒径分布的负载型催化剂可在改进碳纳米管的生产率方面发挥重大作用。

载体可包括选自由氧化镁、氧化钙、氢氧化铝、氧化锆和氧化硅组成的组的一种或多种，优选地可以是氢氧化铝，并且更优选地可包括氢氧化铝并且还包括一种或多种选自由氧化锆、氧化镁和氧化硅组成的组的氧化物。当使用上述类型的载体时，其优点在于载体的耐久性优异且易于负载活性组分。

载体的形状不受特别限制，但可以是球形或马铃薯形。另外，载体可具有多孔结构、分子筛结构、蜂窝结构等，以具有相对较高的每单位质量或单位体积的表面积。

活性组分

在根据本发明实施方式的用于制造碳纳米管的负载型催化剂中，活性组分负载在载体中，并且活性组分可包含主催化剂成分和助催化剂成分。

主催化剂成分可以是选自镍、钴和铁的一种或多种，并且特别优选钴。主催化剂成分直接降低从碳源气体合成碳纳米管的反应活化能，从而促进碳纳米管合成反应，且当使用上述类型的主催化剂成分时，优选的是，待制备的催化剂具有高活性，并且还确保一定水平或更高的耐久性。

助催化剂组分可以是选自钼和钒的一种或多种，并且特别优选钒。助催化剂成分用于进一步增强主催化剂成分的催化活性，当使用上述助催化剂成分时，可具有优异的与主催化剂成分的协同效应，并且可以防止制造过程中主催化剂成分之间的聚结。

根据本发明的实施方式，用于制造本发明的碳纳米管的负载型催化剂中的催化剂成分可具有下式1的组成。

[式1]

(Ni,Co,Fe)

在上式中，x是主催化剂成分的摩尔比，y是助催化剂成分的摩尔比，x和y各自分别是1≤x≤10和0.1≤y≤10范围内的实数。

具体而言，主催化剂成分与助催化剂成分的摩尔比可为10:0.1至10:10，优选10:0.5至10:5。当活性组分的组成被控制为具有这样的摩尔比时，有可能在载体中均匀地负载活性组分而不发生聚结，同时将负载型催化剂的活性保持在极好的水平。

根据本发明构思的一个实施方式，基于负载型催化剂总重量，负载型催化剂的活性组分的含量可为5重量％至30重量％，优选10重量％至30重量％，更优选15重量％至30重量％的量。此时活性组分的含量可意味着基本上参与碳纳米管合成的催化剂成分的有效量，并且为了具有该有效量，必须应用满足上述粒径分布的载体，即，特定范围内的数均粒径和体积平均粒径。

用于制造碳纳米管的负载型催化剂的制备方法

本发明提供一种制备上述用于制造碳纳米管的负载型催化剂的方法。具体而言，本发明提供一种制备用于制造碳纳米管的负载型催化剂的方法，其中该方法包括在数均粒径(D

如上所述，本发明中使用的载体的数均粒径(D

当直接制备载体时，载体可通过热处理氢氧化铝的步骤制备。另外，在执行热处理步骤之前，可首先执行预处理氢氧化铝(Al(OH)

氢氧化铝(Al(OH)

通过执行热处理，氢氧化铝发生转化，从而可制备的载体含有30重量％以上的AlO(OH)和70重量％以下的Al(OH)

在本发明的制备用于制造碳纳米管的负载型催化剂的方法中，催化剂溶液可以是包含主催化剂前体、助催化剂前体和有机酸的混合物。

催化剂溶液包括将被负载的主催化剂成分的前体和助催化剂成分的前体，并且还包含有机酸。本发明中使用的有机酸可以是例如多元羧酸，其是含有一个或多个羧基基团的化合物，并且作为络合剂具有高溶解性、抑制沉淀并促进催化剂的合成，而且作为活化剂增加碳纳米管的合成。多元羧酸可以是选自二羧酸、三羧酸和四羧酸的一种或多种，并且可以是例如柠檬酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、酒石酸等。

基于催化剂溶液的总重量，有机酸的含量可为0.1重量％至1.5重量％。当满足上述范围时，主催化剂和助催化剂的金属成分不会在催化剂溶液中沉淀，并且也可以抑制后续烧制过程中产生裂纹。

另外，可在主催化剂前体和助催化剂前体之和与有机酸为约5:1至30:1的摩尔比范围内适当地进行混合，并且当满足上述摩尔比时，可以以优异的水平实现制备的碳纳米管的堆积密度。

可不受特殊限制地使用主催化剂前体和助催化剂前体，只要主催化剂前体和助催化剂前体是可通过以下干燥和烧制过程分别转化为主催化剂成分和助催化剂成分的化合物。在镍、铁和钴作为上述优选主催化剂成分的实例的情况下，这些金属成分的任何盐或氧化物、或含有这些金属成分的化合物都可用作主催化剂前体，更具体而言，诸如Fe(NO

催化剂溶液的溶剂不受特别限制，只要其能够溶解上述主催化剂前体和助催化剂前体，并且优选使用例如水。

在本发明的制备用于制造碳纳米管的负载型催化剂的方法中，在均匀混合载体和催化剂溶液之后以及在烧制混合物之前，负载还可包括进行预定时间的老化的过程。混合可在45℃至80℃的温度通过旋转或搅拌执行。老化可进行3分钟至60分钟。

当催化剂溶液负载在载体中时，在烧制前还可以包括干燥过程。干燥可在60℃至200℃执行4小时至16小时，并且作为干燥方法，可应用本领域中应用的典型干燥方法，如烘箱干燥、真空干燥、冷冻干燥等。

通过上述一系列过程制备的中间体作为负载型催化剂，通过以下烧制步骤制造碳纳米管。烧制可在500℃至800℃、优选600℃至800℃的温度执行，并且当在所述温度范围内进行烧制时，大部分主催化剂前体和助催化剂前体可转化为主催化剂成分和助催化剂成分。

通过上述制备方法制备的负载型催化剂可制备为其中催化剂溶液的主催化剂成分和助催化剂成分以涂覆在载体表面和孔隙上的状态存在的负载型催化剂，并且由于载体的特征粒径分布，大部分经涂覆的活性组分可以作为有效量，因此活性优异，因此，并因而预期会提高碳纳米管的生产率。

碳纳米管的制造方法

根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述催化剂制造碳纳米管的方法。具体而言，本发明提供一种制造碳纳米管的方法，该方法包括将上述用于制造碳纳米管的负载型催化剂和床用碳纳米管注入流化床反应器，和向流化床反应器供应碳源气体和流动气体，然后使碳源气体和流动气体反应以制造碳纳米管。

可以将根据本发明实施方式的用于制造碳纳米管的负载型催化剂与床用碳纳米管一起注入流化床反应器中，然后可向流化床反应器额外供应碳源气体和流动气体以制造碳纳米管。

碳源气体是含碳气体，可在高温下分解形成碳纳米管。其具体实例可包括各种含碳化合物，如脂肪族烷烃、脂肪族烯烃、脂肪族炔烃、芳香族化合物等。更具体而言，可使用甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳、丙烷、丁烷、苯、环己烷、丙烯、丁烯、异丁烯、甲苯、二甲苯、异丙苯、乙苯、萘、菲、蒽、乙炔、甲醛、乙醛等化合物。

流动气体为在流化床反应器中合成的碳纳米管和催化剂颗粒赋予流动性，并且可以使用具有高热稳定性且不与碳源气体或碳纳米管反应的气体。例如，氮气或惰性气体可用作流动气体。

作为流化床反应器，可以使用已知用于制造碳纳米管的任何流化床反应器，而无需特别限制。

碳纳米管

通过本发明的碳纳米管制造方法制造的碳纳米管可以是束型碳纳米管，并且可具有的数均粒径为0μm至500μm、优选40μm至300μm、更优选40μm至200μm。

碳纳米管的堆积密度可为10kg/m

碳纳米管的振实密度可使用典型的振实密度测量装置测量。具体而言，振实密度可根据ASTM B527-06标准测量，且例如可使用Logan有限公司的TAS-2S测量。

另外，碳纳米管的振实密度可根据实验室标尺进行测量，且即使根据实验室标尺进行测量，也可得出与基于上述标准的结果基本相同的结果。根据实验室标尺可能有各种测量方法。例如，首先将5mL量筒放置在标尺上，然后将标尺设置为零，然后将5mL的碳纳米管放入量筒中。通过在与碳纳米管高度相同的目测高度上读取标尺来测量体积，然后将量筒放置在标尺上以测量碳纳米管的重量。将量筒在地板上轻敲约100次，然后通过读取标尺来测量碳纳米管的体积。然后，通过将碳纳米管的重量除以100次敲击后的碳纳米管体积，可以测量振实密度(碳纳米管重量(kg)/100次敲击后的碳纳米管体积(m

碳纳米管的BET比表面积可以为150m

同时，碳纳米管单元的平均股径可为30nm以下，具体为10nm至30nm，其平均长度可为0.5μm至200μm，具体为10μm至60μm。当满足上述范围时，所述单元可具有优异的电导率和强度，可在室温和高温下均稳定，也可具有优异的分散性。

碳纳米管单元的纵横比可以为5至50000，更具体为10至20000，其定义为碳纳米管单元的长度(通过单元中心的长轴的长度)和直径(通过单元中心并垂直于长轴的短轴的长度)的比。

在本发明中，可使用场发射径向扫描电子显微镜测量碳纳米管单元的平均股径和长度。

实施例

在下文中，将参考实施方式和实验实施方式更详细地描述本发明，但本发明不受实施方式和实验实施方式的限制。根据本发明的实施方式可以被修改成其他各种形式，并且本发明的范围不应被解释为限于下面描述的实施方式。提供本发明的实施方式是为了向本领域技术人员更全面地描述本发明。

实施例和比较例

作为铝基载体前体，氢氧化铝(Al(OH)

混合载体和催化剂溶液，使得相对于载体中的100摩尔Al，催化剂溶液中的Co和V分别为16摩尔和1.6摩尔。

催化剂溶液在60℃恒温浴中在载体中负载5分钟，然后在120℃的空气中干燥6小时。此后，在空气气氛中在720℃对其进行1.5小时烧制，以制备负载型催化剂，此时负载的活性组分的含量如下表1所示。

另外，以与上述相同的方式获得其余实施例和比较例中用于制造碳纳米管的负载型催化剂颗粒，不同之处在于载体的数均粒径和活性组分中主要催化剂成分的含量不同，如下表1所示。

实验例1.碳纳米管的产率和堆积密度

碳纳米管的制造

将制备的用于制造碳纳米管的负载型催化剂安装在直径为55mm的圆柱形石英流化床反应器的中段，然后在氮气气氛中加热至670℃并保持，然后以1:1:1的体积混合比供应氮气、氢气和乙烯气体，总计为300sccm，反应60分钟合成碳纳米管。测量了根据实施例和比较例的负载型催化剂合成的碳纳米管的产率和堆积密度，并显示在下表1中。

测量方法

1)数均粒径：使用粒径分析仪(Microtrac，bluewave)测量制备的载体的数均粒径。

2)产率：基于用于制造碳纳米管的负载型催化剂的重量和反应后增加的重量，根据以下等式1计算产率。

[等式1]

产率(倍数)＝(反应后总重量-所用催化剂重量)/所用催化剂重量

3)堆积密度：将粉末填充在已知重量的5mL容器中，然后称重，并根据下面的等式2计算密度。

[等式2]

堆积密度(kg/m

测量结果

[表1]

参考上表1，在数均粒径为1.4μm的比较例1-1、2-1、3-1和4-1的情况下，确认其产率和堆积密度低于比较例所分别对应的实施例的产率和堆积密度。可以看出，这是由于较小的数均粒径导致负载型催化剂颗粒之间的聚结造成活性在一定程度上降低的结果。另外，当与载体的数均粒径为19μm(在20μm以下)的实施例1-2、2-2、3-2和4-2相比时，在其中载体的数均粒径为24μm(大于20μm)的比较例1-2、2-2、3-2和4-2和其中载体的数均粒径为50μm(大于20μm)的比较例1-3、2-3、3-3和4-3的情况下，即使催化剂颗粒的尺寸显著增大，碳纳米管的产率仍保持不变，或有所降低。这意味着，当载体的数均粒径变得大于本发明的范围时，载体的大粒径成为活性组分负载的障碍，因此，对催化活性没有有利影响，并且活性组分的负载在本发明的载体数均粒径范围内最大化，因此可以制备具有最佳催化活性同时最大限度减少催化剂原料使用的负载型催化剂。

另外，经证实，当通过增加实施例中的主催化剂成分的含量来负载主催化剂成分时，随着待负载的主催化剂成分的含量增加，生产率持续增加，并且相应地，堆积密度也增加，但在比较例中，即使当主催化剂成分的含量增加时，产率也没有显著增加，相反，在某些情况下产率反而下降。这意味着，如上所述，活性组分的负载在本发明的载体数均粒径范围内可以最大化，然而，在不满足本发明的载体数均粒径范围的比较例的情况下，活性组分没有均匀地分布在载体内，且活性组分没有充当有效量。

通过以上可以确定，根据本发明实施方式的负载型催化剂，即，在使用数均粒径为1.5μm至20μm的载体的负载型催化剂的情况下，大多数负载的活性组分充当活性组分，因此，催化活性得以改进，并且防止聚集有效地防止了活性的损失，这有助于改进碳纳米管的生产率，并且还可以确认，这种有效量的增加并非通过增加活性组分的含量来实现，而仅可通过应用具有适当粒径分布的载体来实施。