甲烷催化裂解法多壁碳納米管的除雜提純

張新莊，王姍姍，裴 婷，張 鐸，郭淑靜，張 偉*

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司大連化物所西安潔凈能源(化工)研究院，陜西 西安 710065)

甲烷等輕烴經(jīng)過(guò)高溫催化裂解可以高效的制備MWCNTs，但粗產(chǎn)品中往往存在碳雜質(zhì)(無(wú)定形碳、碳納米顆粒等)和催化劑殘留(金屬/金屬氧化物等)且結(jié)合緊密，對(duì)產(chǎn)品特性發(fā)揮造成一定影響[1]。除少數(shù)情況[2]下可直接使用新鮮MWCNTs外，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[3-7]都要求采用提純后的MWCNTs產(chǎn)品，因此有必要對(duì)新鮮MWCNTs進(jìn)行除雜處理。

目前，高溫氣相(空氣、O2、CO2等)氧化和高溫H2甲烷化是較為有效的去除碳雜質(zhì)方法[8-10]，但其對(duì)供能和反應(yīng)器材質(zhì)都提出了較高要求。而針對(duì)MWCNTs中的催化劑殘留，主要采用液相化學(xué)劑溶解過(guò)濾法，如HCl、H2SO4、HNO3、混酸、NaOH及其分步組合[9，11-16]，但產(chǎn)生的大量液體廢棄物會(huì)造成環(huán)境污染或增加凈化成本。另外，為了減弱或消除固相/液相的不均勻性，增強(qiáng)除雜效果，通常會(huì)加入分散劑/助溶劑并伴以均質(zhì)化措施[17-19](如研磨、攪拌和超聲等)。兩類雜質(zhì)的常規(guī)去除方法存在較大差異，無(wú)法一次性完成或連續(xù)化操作，盡管有液相強(qiáng)氧化一體除雜的報(bào)道[9，20]，但也會(huì)嚴(yán)重破壞MWCNTs結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)的特性發(fā)揮。

本文以自制甲烷催化裂解法MWCNTs為除雜提純對(duì)象，分別采用“常溫HCl溶液→高溫空氣”、“常溫NaOH溶液→高溫空氣”和“高溫H2→常溫NaOH溶液”三種方法去除催化劑殘留和碳雜質(zhì)，并結(jié)合提純前后樣品TG數(shù)據(jù)和微觀形貌，對(duì)其適應(yīng)性和提純效果進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 MWCNTs樣品制備

在自制合成裝置(圖1)中，以甲烷[φ(CH4)≥99.99%，西安騰龍化工有限公司]為原料氣、自制浸漬法粉狀Fe/γ-Al2O3為催化劑，采用甲烷催化裂解方法，于730 ℃下合成MWCNTs，即0#新鮮待除雜樣品。

圖1 自制MWCNTs合成裝置圖

1.2 液相化學(xué)劑及溶灰除雜

商品鹽酸試劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.0%～38.0%，西安三浦化學(xué)試劑有限公司。

NaOH溶液的配制。在玻璃燒杯中取11.688 g氫氧化鈉(分析純，≥96.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，加入去離子水溶解并攪拌均勻，移入100 mL容量瓶中，用去離子水定容并混合均勻。

分散液的配制。在玻璃燒杯中取0.508 0 g十二烷基硫酸鈉(SDS，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，加入去離子水溶解并攪拌均勻，移入50 mL容量瓶中，用去離子水定容并混合均勻。

取0.05 g含灰MWCNTs樣品，置于玻璃燒杯中并加入50 mL HCl溶液或NaOH溶液，同時(shí)滴入約0.5 mL SDS分散液；密封并于常溫下磁力攪拌2 h后，用去離子水洗滌、過(guò)濾3次；濾餅在烘箱120 ℃下干燥4 h，后移至玻璃干燥器內(nèi)降至室溫，得到除灰提純樣品。

1.3 高溫氣相除碳雜質(zhì)

取適量含碳雜質(zhì)MWCNTs樣品置于圖1反應(yīng)管恒溫區(qū)內(nèi)，在氮?dú)?≥99.99%)下以10 ℃·min-1升溫至設(shè)定溫度，分別切換氣氛為壓縮空氣和氫氣(≥99.99%)，恒溫處理2 h后停止加熱，在氮?dú)庀伦匀唤抵潦覝兀玫匠茧s質(zhì)提純樣品。

1.4 MWCNTs樣品的表征及計(jì)算

取適量新鮮或提純MWCNTs樣品，在日本Hitachi SU-8000型掃描電子顯微鏡下觀察其微觀表面形貌，并選取50 000倍下的圖像進(jìn)行對(duì)比分析。

采用美國(guó)TA Instruments公司的TA Q600型同步熱分析儀表征新鮮或提純MWCNTs樣品的TG行為。樣品質(zhì)量(3～5) mg，空氣流量50 mL·min-1，升溫速率10 ℃·min-1，終點(diǎn)溫度950 ℃，N2保護(hù)氣流量10 mL·min-1。

在熱失重分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，作出“質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w，%)—溫度(t，℃)”和“失重速率(%·℃-1)—溫度(t，℃)”變化曲線，按照GB/T 36065-2018，選取曲線中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)或進(jìn)行處理，按照式(1)～(4)計(jì)算得到樣品中揮發(fā)物(Vs)、碳雜質(zhì)(CIs)、MWCNTs和灰分(Ash)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

wVs(%) = 100-w300(%)

(1)

wCIs(%) =w300(%)-w*(%)

(2)

wMWCNTs(%) =w*(%)-w900(%)

(3)

wAsh(%) =w900(%)

(4)

式中，wVs為TG測(cè)試樣品中揮發(fā)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w300為TG“w-t”曲線中300 ℃對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wCIs為TG測(cè)試樣品中碳雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w*為TG測(cè)試樣品中碳雜質(zhì)氧化結(jié)束溫度(依據(jù)GB/T 36065-2018確定)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wMWCNTs為TG測(cè)試樣品中MWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w900為TG“w-t”曲線中900 ℃對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wAsh為TG測(cè)試樣品中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 “常溫HCl溶液→高溫空氣”的除雜效果

根據(jù)MWCNTs樣品制備方法，推測(cè)0#新鮮樣品中灰分主要為Fe/γ-Al2O3催化劑殘留，而HCl溶液對(duì)金屬氧化物有溶解作用，因此，嘗試采用HCl溶液對(duì)樣品進(jìn)行溶灰提純。另外，基于GB/T 36065-2018中碳雜質(zhì)先于MWCNTs被空氣氧化的觀點(diǎn)，嘗試在低于關(guān)鍵溫度Te(表1)的500 ℃下對(duì)除灰樣品繼續(xù)進(jìn)行空氣氧化除碳雜質(zhì)。經(jīng)兩步處理后獲得1#除雜提純樣品，其組分量化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 0#和1#樣品的TG組成及關(guān)鍵溫度

由表1可知，經(jīng)“常溫HCl溶液→500 ℃空氣”兩步處理后，MWCNTs純度有一定提升，wMWCNTs增加約9.65%，其中主要貢獻(xiàn)為灰分含量降低，wAsh下降約74.53%，從而使得wCIs和wMWCNTs相對(duì)增加，說(shuō)明常溫HCl溶液能夠溶解去除較多催化劑殘留。但wCIs增加約108.52%，且Tox′下降11.75 ℃，說(shuō)明MWCNTs在500 ℃空氣氧化下被大量消耗，即不存在碳雜質(zhì)先于MWCNTs被空氣氧化的現(xiàn)象，而是二者在同步消耗。顯然，500 ℃空氣氧化的除碳雜質(zhì)效果不佳。推測(cè)，部分碳雜質(zhì)與MWCNTs緊密結(jié)合/接觸，或部分MWCNTs自身存在缺陷，致使二者抵抗500 ℃空氣氧化的能力相近。

0#新鮮和1#提純樣品的微觀形貌如圖2所示。

圖2 0#和1#MWCNTs樣品的SEM照片

從圖2可以看出，相較0#樣品，1#樣品的團(tuán)聚/纏結(jié)明顯減輕，且無(wú)聚集狀催化劑殘留，但MWCNTs外表面、端口和結(jié)點(diǎn)等處仍可見(jiàn)較多碳雜質(zhì)，而部分MWCNTs結(jié)構(gòu)也遭破壞，主要是表面/端口侵蝕和體相斷裂。推測(cè)，催化劑與其上生長(zhǎng)的MWCNTs緊密結(jié)合，HCl溶液去除催化劑后，MWCNTs本體會(huì)產(chǎn)生部分缺陷。

以上現(xiàn)象與表1的分析結(jié)果一致，即“常溫HCl溶液→500 ℃空氣”兩步方法能去除較多灰分，但無(wú)法有效清除碳雜質(zhì)，且會(huì)產(chǎn)生缺陷MWCNTs。

2.2 “常溫NaOH溶液→高溫空氣”的除雜效果

根據(jù)文獻(xiàn)[14，21]可知，濃NaOH溶液可溶解催化劑載體γ-Al2O3，因此，嘗試采用配制的2 mol·L-1NaOH溶液對(duì)樣品進(jìn)行溶灰提純。然后，在更接近表1中0#樣品關(guān)鍵溫度Te(570 ℃)的530 ℃下對(duì)除灰樣品繼續(xù)進(jìn)行空氣氧化，獲得2#除雜提純樣品，其組分量化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2#樣品的TG組成及關(guān)鍵溫度

由表2可知，經(jīng)“常溫NaOH溶液→530 ℃空氣”兩步處理后，wAsh下降約21.17%，而wCIs和wMWCNTs分別增加約13.74%和5.22%，說(shuō)明NaOH溶液能溶解去除一定量的催化劑載體γ-Al2O3，但其溶灰效果遠(yuǎn)不及HCl溶液；而530 ℃空氣氧化亦不能選擇性地去除碳雜質(zhì)，Tox′下降5.3 ℃，顯然MWCNTs也在同步消耗。推測(cè)，MWCNTs與部分碳雜質(zhì)共生結(jié)合，且部分載體γ-Al2O3的溶解使MWCNTs產(chǎn)生缺陷，從而消弱其在530 ℃空氣中的穩(wěn)定性。

0#新鮮和2#提純樣品的微觀形貌如圖3所示。從圖3可以看出，2#樣品中依然有較多聚集狀催化劑殘留，在部分MWCNTs外表面、端口和結(jié)點(diǎn)處亦堆積有少量灰分，同時(shí)視域內(nèi)可見(jiàn)較多顆粒狀碳雜質(zhì)和斷裂態(tài)的缺陷MWCNTs，且樣品微觀團(tuán)聚/纏結(jié)并未減輕。說(shuō)明“常溫NaOH溶液→530 ℃空氣”兩步法的除雜效果較差，這也驗(yàn)證了表2的分析結(jié)果。

圖3 0#和2#MWCNTs樣品的SEM照片

2.3 “高溫H2→常溫NaOH溶液”的除雜效果

受高溫甲烷化反應(yīng)2H2+C→CH4提示[22]，嘗試分別在MWCNTs合成溫度(730 ℃)和稍低溫度(660 ℃)下使用H2對(duì)樣品進(jìn)行除碳雜質(zhì)提純。然后，在常溫下采用2 mol·L-1NaOH溶液對(duì)除碳樣品進(jìn)行溶灰處理，分別獲得3#和4#除雜提純樣品，其組分量化結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3#和4#樣品的TG組成及關(guān)鍵溫度

由表3可知，經(jīng)“高溫H2→常溫NaOH溶液”兩步處理后，3#和4#的wAsh分別下降約83.25%和57.23%，wCIs分別增加約45.04%和20.78%，wMWCNTs分別增加約23.49%和18.84%。顯然，灰分含量的大幅下降會(huì)相對(duì)提升wCIs和wMWCNTs，但與表1中1#樣品相比，wCIs的增幅下降，而wMWCNTs的增幅上升，Tox′也顯著增加，說(shuō)明高溫H2去除碳雜質(zhì)的效果被掩蓋。對(duì)比2#樣品的組分?jǐn)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)前置的高溫H2處理增強(qiáng)了后續(xù)NaOH溶液的溶灰效果。推測(cè)，高溫H2在甲烷化碳雜質(zhì)的同時(shí)，將殘留催化劑中的金屬氧化物還原，而NaOH溶液對(duì)活潑的Fe和Al有更好的去除效果；樣品中存在的大量灰分(催化劑殘留)可能會(huì)減弱高溫H2的除碳效果。“730 ℃ H2→常溫NaOH溶液”組合可以獲得更好的除雜提純效果。

3#和4#提純樣品的微觀形貌如圖4所示。從圖4可以看出，3#樣品中未見(jiàn)明顯催化劑殘留，但部分MWCNTs表面存在侵蝕缺陷，且出現(xiàn)較多斷裂狀MWCNTs“小短節(jié)”，說(shuō)明MWCNTs結(jié)構(gòu)被破壞；而4#樣品中MWCNTs結(jié)構(gòu)完整、表面光潔，但存在明顯的聚集狀催化劑殘留；3#和4#樣品的SEM視域內(nèi)均未見(jiàn)顆粒狀碳雜質(zhì)，說(shuō)明高溫H2去除了部分碳雜質(zhì)。以上現(xiàn)象較好地解釋了表3的分析結(jié)果。推測(cè)部分催化劑殘留、碳雜質(zhì)與MWCNTs結(jié)合/接觸緊密，導(dǎo)致除雜的同時(shí)也破壞了MWCNTs原有結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成了3#樣品的SEM現(xiàn)象。

圖4 3#和4#MWCNTs樣品的SEM照片

3 結(jié) 論

針對(duì)甲烷催化裂解法MWCNTs中存在較多灰分(催化劑殘留)和碳雜質(zhì)，分別采用“常溫HCl溶液(wHCl=36.0%～38.0 %)→500 ℃空氣”、“常溫NaOH溶液(cNaOH=2 mol·L-1) →530 ℃空氣”和“660/730 ℃ H2→常溫NaOH溶液(cNaOH=2 mol·L-1)”三種方法進(jìn)行除雜提純，得到以下結(jié)論：

(1)常溫HCl溶液和NaOH溶液可分別有效溶解氧化態(tài)和還原態(tài)催化劑殘留，從而減輕MWCNTs的團(tuán)聚/纏結(jié)，但也會(huì)使MWCNTs本體的共生/結(jié)合位產(chǎn)生侵蝕和/或斷裂缺陷。

(2)500 ℃/530 ℃空氣氧化無(wú)法選擇性去除碳雜質(zhì)，且會(huì)造成較多MWCNTs損失，推測(cè)部分MWCNTs存在缺陷以及與碳雜質(zhì)結(jié)合/接觸緊密是主要原因。

(3)660 ℃/730 ℃ H2甲烷化能去除一定量的碳雜質(zhì)，并還原殘留催化劑中的部分金屬氧化物，且730 ℃ H2的除雜和還原效果較好。

(4)優(yōu)化甲烷催化裂解法合成工藝，提高M(jìn)WCNTs完美程度并實(shí)現(xiàn)其與催化劑的有效分離，是獲得高純MWCNTs產(chǎn)品的必由之路。