PL224289B1 - Sposób wytwarzania katalizatora - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania katalizatora do wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych z wykorzystaniem katalitycznego rozkładu węglowodorów z fazy gazowej (CCVD).

Wielościenne nanorurki węglowe stanowią współosiowy układ nawet kilkudziesięciu cylindrów, zbudowanych ze zwiniętych i zamkniętych heksagonalnych płaszczyzn grafenowych. Należą do grupy nanomateriałów o potencjalnie szerokim zakresie zastosowań, zwłaszcza w mikroelektronice i inżynierii ciała stałego.

Znane sposoby wytwarzania nanorurek węglowych bazują w większości na fakcie sublimacji węgla w inertnej atmosferze. Jedną z metod chemicznych jest metoda katalitycznego rozkładu węglowodorów - CCVD (catalytic Chemical vapour deposition). Katalityczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej jest to jedna z metod służąca do otrzymywania cienkich powłok na materiale, w celu zmiany jego właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych. Metoda ta polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej pieca gazowych substratów, gdzie na gorącym podłożu katalizatora zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne, wymagające stosowania wysokich temperatur. Jako substraty (prekursory) stosuje się zarówno gazy jak i ciecze w formie pary, które za pomocą tzw. gazów nośnych są wprowadzane do komory reakcyjnej. Gazy nośne są obojętne lub mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstawania warstw.

Z opisu patentowego USA nr 7094385 znany jest sposób wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych przez katalityczny rozkład węglowodorów. Proces jest prowadzony w temperaturze 500-900°C, na katalizatorze ze związków magnezu i kobaltu, który stanowi roztwór stały oparty na CoO. Stosowany węglowodór, w szczególności acetylen, jest rozcieńczony azotem jako gazem nośnym. Oddzielenie nanorurek węglowych z materiału katalizatora następuje poprzez rozpuszczanie materiału katalizatora w roztworze kwasu, zwłaszcza solnego, odzyskiwanie nanorurek oraz ich przemywanie i suszenie.

Znany jest również z opisu EP nr 1797950 sposób otrzymywania wielościennych nanorurek węglowych na drodze selektywnej konwersji węglowodorów przy zastosowaniu wieloskładnikowych związków tlenkowych zawierających nikiel, kobalt, żelazo i glin jako katalizator. Jako źródło węgla stosowane są węglowodory nienasycone i nasycone takie jak acetylen, etylen, metan lub gaz ziem ny .

Celem wynalazku jest opracowanie katalizatora, mającego zastosowanie do wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych i otrzymanego z niedrogich składników.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania katalizatora do wytwarzania wielościennych nanorurek węglowych. Sposób polega na tym, że składniki katalizatora: azotan niklu, azotan glinu i kwas cytrynowy miesza się w równych proporcjach molowych z dodatkiem wody, a następnie mieszaninę ogrzewa się w temperaturze 100°C do momentu zaniku pary wodnej i dalej poddaje się ją procesowi kalcynacji w piecu rurowym przy przepływie azotu, w temperaturze w zakresie 600-800°C, korzystnie w czasie 5 godzin. Otrzymany katalizator umieszcza się następnie w piecu rurowym i ogrzewa, przy przepływie azotu, do temperatury w zakresie 650-800°C.

Wielościenne nanorurki węglowe chłodzi się z otrzymanym katalizatorem do temperatury pokojowej w atmosferze azotu.

Sposób według wynalazku pozwala na uzyskanie wielościennych nanorurek węglowych o dużej wydajności. Otrzymane nanorurki węglowe charakteryzują się bardzo dobrym przewodnictwem, co pozwala na wykorzystanie ich jako potencjalnych składników materiałów elektrodowych do kondensatorów elektrochemicznych a także innych chemicznych źródeł prądu.

Zastosowany katalizator niklowo-glinowy w porównaniu z katalizatorami opartymi na innych związkach metali wpływa na obniżenie kosztów produkcji a ponadto sam proces otrzymywania katalizatora jest nieskomplikowany.

P r z y k ł a d

Do azotanu niklu odważonego w ilości 0,1 mola dodaje się 0,1 mola azotanu glinu i 0,1 mola kwasu cytrynowego oraz 200 ml wody a następnie całość miesza się i ogrzewa w temperaturze 100°C, dalej mieszając do momentu odparowania wody. Następnie pobiera się 5 g otrzymanej mieszaniny i umieszcza ją w piecu rurowym w atmosferze azotu i poddaje się procesowi kalcynacji w temperaturze 600°C, w czasie 5 godzin, z przepływem gazu 40 l/h. Po przeprowadzeniu procesu układ chłodzi się do temperatury pokojowej. Wydajność procesu kalcynacji wynosi 25%. Otrzymany w ten sposób katalizator, w następnym etapie umieszcza się w piecu rurowym w ilości 250 mg,

PL 224 289 B1 po czym nagrzewa się piec do temp. 650°C w atmosferze azotu, przy przepływie gazu 10 l/h. Po osiągnięciu zadanej temperatury w piecu, zastępuje się atmosferę interną azotu, mieszaniną acetylenu z azotem, gdzie stosunek objętościowy acetylenu do azotu wynosi 1:2 i przepuszcza się przez piec rurowy mieszaninę gazów w czasie 1 godziny. Szybkość przepływu mieszaniny gazów wynosi 15 l/h. Następnie całość schładza się do temperatury pokojowej w atmosferze azotu. Otrzymuje się w rezultacie ok.1500 mg nanorurek węglowych z katalizatorem.

W celu usunięcia katalizatora materiał umieszcza się w kolbie ze stężonym kwasem solnym i w czasie 12 godzin, w temperaturze 80°C miesza się przy wykorzystaniu mieszadła magnetycznego.

Następnie nanorurki węglowe przemywa się kilkakrotnie wodą destylowaną do uzyskania obojętnego pH i suszy się w suszarce, w temperaturze 100°C.

Wielościenne nanorurki węglowe otrzymane sposobem według wynalazku tworzą splątaną sieć ₂ o powierzchni rzeczywistej BET 107 m²/g. Średnica zewnętrzna nanorurek mieści się w granicach

15-25 nm, natomiast kanał centralny jest w granicach kilku nanometrów.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania katalizatora, znamienny tym, że azotan niklu, azotan glinu i kwas cytrynowy miesza się w równych proporcjach molowych z dodatkiem wody, a następnie mieszaninę ogrzewa się w temperaturze 100°C do momentu zaniku pary wodnej i dalej poddaje się ją procesowi kalcynacji w piecu rurowym w temperaturze 600-800°C, przy przepływie azotu, korzystnie w ciągu 5 godzin, po czym tak otrzymany katalizator umieszcza się w piecu rurowym i ogrzewa, przy przepływie azotu, do temperatury w zakresie 650-800°C.