高分子塑料催化裂解制備碳納米管的研究

＊柳啟豪 祝媛媛

（湖北大學知行學院生物與化學工程學院 湖北 430000）

塑料自從被發(fā)明創(chuàng)造以來因為其耐水、耐腐蝕而且比金屬更輕的優(yōu)點就被人類廣泛使用于各個領(lǐng)域，但是塑料相比較于金屬也有其缺點，塑料在自然條件下是不能降解的，因為人類的大規(guī)模使用已經(jīng)造成了嚴重的白色污染。目前對于塑料有效的處理方法僅僅是焚燒和找地方填埋，但是這樣的處理方法也會造成二次污染，因為塑料被燃燒會產(chǎn)生多氯化苯并二惡英等有害物質(zhì)，塑料在帶給人類方面的同時也帶來了不可逆轉(zhuǎn)的污染，但是塑料的使用已經(jīng)在人類的世界里變得不可或缺，想要取消塑料的存在幾乎不可能，因此很多研究人員就從如何無公害有效處理塑料的角度出發(fā)，希望從其他角度解決塑料的污染問題。

1.采用高分子塑料催化裂解碳納米管的重要性

因為塑料造成的污染是十分嚴重的，但是因為其方便性和實用性又難以割舍，因此很多人都想找出一個可以讓塑料處理污染最小化的方法來解決這個問題。在最近幾年的研究當中高分子塑料催化裂解制備碳納米管的研究引起業(yè)界廣泛的關(guān)注。因為碳納米管的拉深強度、密度以及熱導率這三項數(shù)據(jù)均優(yōu)于鋼管，這個新發(fā)現(xiàn)讓其成為很多專家研究新材料的焦點。在眾多制造碳納米管的方法當中成本最低效率最高的就是催化裂解。

2.以鎳作為催化裂解塑料制造碳納米管

鎳作為裂解塑料制造碳納米管的催化劑比鐵使用的頻率更加高，這是因為鎳能更加好的對塑料裂解產(chǎn)生催化作用，其中的原理就是塑料當中聚化合物當中的C-C、C-H鍵更容易被鎳催化裂解。而且在進行催化裂解的過程當中鎳作為催化劑更加穩(wěn)定可靠，這就是鎳比鐵更適合作為碳納米管裂解催化劑的原因。

(1)嘗試用氣相沉積法以及鎳作為催化劑制作碳納米管的研究

最近的多項研究表明，使用600℃到800℃的氣相沉積法制備實驗時，鎳可以作為催化劑將廢棄的聚丙烯制作成納米管。這可以制造出在光電子器配件當中使用的碳納米管，在研究調(diào)查當中，只要制備溫度達到400℃的時候，聚丙烯可以分解成為碳氫化合物單體。

(2)碳納米管的使用范圍

碳納米管因為其獨特性可以使用的范圍非常大，可以適用于眾多領(lǐng)域，許多研究人員都在找碳納米管的可能性。

①納米催化劑的制作

裂解制備的基礎(chǔ)就是催化劑，制備出來的效果如何全部由催化劑的形態(tài)、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、尺寸等因素決定。現(xiàn)在研究最多的納米級金屬催化劑就是鎳和鐵，上述已經(jīng)對比兩者的不同，這里要說的就是金屬催化劑和其他催化劑的區(qū)別，金屬作為催化劑不同于其他是因為金屬催化時是不需要其他載體的，可以單獨作為催化劑使用，因此在綜合性和經(jīng)濟性方面來考慮都是極好的催化劑。

②碳納米管的制作

CNTs的制備關(guān)鍵工藝是使用天然氣等催化劑，這是碳納米管的制備工藝，這都直接決定CNTs的規(guī)格、產(chǎn)量和質(zhì)量。比較有效的是U形管，這種移動床反應器是由前驅(qū)體原位活化制備納米催化劑以及天然氣催化裂解設(shè)備和其他形態(tài)碳除去組合成。

在U形管當中會有三段反應，第一段是催化劑和還原氣體相接觸，在這個階段催化活性物會被催化成所需的結(jié)構(gòu)和尺寸，這樣的催化物會隨著氣溫的升高而變大，在這種情況下生成的CNTs的管會變得非常大，接著就是第二段反應，CNTs會在原料氣的活化下變成設(shè)計的尺寸，因為催化劑和原料氣的方向是相反的，所以可以保證原料氣的轉(zhuǎn)化率和CNT的收率。最后一段就是生成的碳納米管和氧化性接觸，這個時候的CNTs是被氧化的，而且相對活潑，這個時候的CNTs兩端都已經(jīng)被氧化，會有催化劑顆粒露出來。

③碳納米管催化和催化劑循環(huán)利用

CNTs的初成品被從U形管當中拿出來的時候已經(jīng)是被氧化后的碳，已經(jīng)沒有其他物質(zhì)依附在表面，但是還有部分催化劑在當中。再接下來就是需要將CNTs純化，因為剛被拿出來的CNTs是初產(chǎn)品。因為之前采用的催化劑是酸性的催化劑，所以需要拿稀酸溶解催化劑。這種催化劑在60-80℃下可以溶解CNTs初產(chǎn)品中的催化劑，經(jīng)過過濾可以得到其中的催化劑溶液，之后還需要補充對應的離子米配比各元素，經(jīng)一部配置納米催化劑，最后時限催化劑主要成分的循環(huán)利用。

④碳納米管的發(fā)現(xiàn)

說了碳納米管的制作，再說一下碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管出現(xiàn)的時間很早，在碳納米管被正式研究公布之前，就已經(jīng)有人可以將其制作出來，但是以當時的知識不能解釋這種碳的新形態(tài)，所以一直都處于一種未被公開的狀態(tài)。最早可能被人類發(fā)現(xiàn)的時間是十九世紀中期，當時就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)類似碳納米管的結(jié)構(gòu)，在過后的幾年，有人在制作卷軸狀石墨晶須的時候就已經(jīng)有碳納米管的生成伴生。

到了二十世紀，有人在調(diào)查兩個石墨電極間通電產(chǎn)生活化生成碳纖維時，會有小纖維覆蓋在其表面，在其后的幾年，科學家對這種纖維進行反復檢測，最后發(fā)現(xiàn)在其石墨排列的碳組合當中有幾層晶體碳包在一起，這就是碳納米管的一種形態(tài)，但是當時涉及到知識盲點，所以沒有被公布出來，直到1991年日本人在高分辨率的電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)石墨電弧發(fā)電時發(fā)現(xiàn)一種直徑只有納米級別的管狀物體，才正式命名這種物體為碳納米管，碳納米是一種具有獨特化學和物理性質(zhì)的化學物質(zhì)，它具有高度的機械強度還有金屬或半導體的特性，這可以導致電子發(fā)射性能和寬帶電磁波被吸收，在各個領(lǐng)域這種新的物質(zhì)都被廣泛利用，而且最近幾年這種使用的范圍越來越廣泛，例如生命科學、環(huán)境科學、自動化技術(shù)、航空技術(shù)航天技術(shù)、能源技術(shù)都將這種物質(zhì)作為研究對象，目前已經(jīng)掀起一場碳納米管的使用和試驗浪潮。

⑤碳納米管的分類、結(jié)構(gòu)和缺陷

碳納米管有兩種不同的形態(tài)，第一種是單層石墨片卷曲，這種叫單壁碳納米管，第二種是多層石墨片卷曲，這叫做多壁碳納米管，兩種都是無縫納米極管，單層碳納米管是表面覆蓋一層直徑1到3納米的單層納米管，因為是單層的原因，所以極為不穩(wěn)定，而多壁納米管則是覆蓋大于0.3335納米的多層納米管，而這種納米管可以根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)和螺旋角度的不同分為螺旋形和非螺旋形納米管，不同的碳納米管具有不同的導電性，因為導電性的差異，碳納米管可以分成金屬碳納米管和半導體納米管。納米管有不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有三個碳原子完全鍵合而成六角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳納米管雖然是一種很好的材料，但是也有其缺陷型，作為一種理想的材料，碳納米管應該是一種無縫結(jié)構(gòu)，但是實際的碳納米管比理想當中的缺陷多很多，實際的碳納米管存在局部的不連續(xù)性，而且由很多小的石墨碎片結(jié)合而成，這是一種拼湊的管狀體，所以是不完整，不連續(xù)的，而且這種碳納米管的長程有序性不高，碳納米管是卷筒結(jié)構(gòu)，因為其層間距離、螺旋形和鄰層面碳原子排列取向的不同很容易造成層間的錯位，這就會導致碳納米管的兩端以及柱面部分存在畸形的變化，這種變化分為五元環(huán)和七元環(huán)，它們都會存在正面和負面的高斯彎曲，這是一種結(jié)構(gòu)性的缺陷，但是這里要做一下說明，碳納米管并未發(fā)現(xiàn)小于五元碳環(huán)的存在。

3.碳納米管的性能及其應用

碳納米管因為其具有多種可能性而被人們廣泛研究，它將會對人們的社會發(fā)展做出及其重要的貢獻，以下將從幾個方面對碳納米管的性能及其應用做出分析介紹。

(1)碳納米管的力學性能及其應用

碳納米管是一種理論上強度比鋼還要高100倍的材料，而且經(jīng)過檢測，它還具有非常高的楊氏模量，這就證明碳納米管除了強度之外還具有超強的韌性，這在傳統(tǒng)材料中是從未出現(xiàn)過的，所以碳納米管也被稱為材料世界當中的超級纖維，因為其獨特的力學性質(zhì)，碳納米管將會被作為復合材料的增強劑。除了物理性質(zhì)，碳納米管還有其化學性質(zhì)，經(jīng)過檢測，碳納米管還具有很強的導電性，而且化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，所以被使用于隧道掃描顯微鏡，這就是碳納米管商業(yè)化的一種形式。

(2)碳納米管的發(fā)射性能及其應用

碳納米管也因為其具有納米尺度的尖端，可以適用于電子的發(fā)射，因此很多研究者都在這方面做出研究，經(jīng)過一段時間的研究和實驗，證明了碳納米管在真空電子領(lǐng)域使用的可能性，很多大公司也公開宣布將在微波放大器、真空電源開關(guān)、場致發(fā)射電子槍中使用這種材料。

(3)碳納米管的吸附性能及應用

因為碳納米管的結(jié)構(gòu)是一個多壁的材料，具有較大的表面積，因此也成為了儲存氫氣的最佳材料，在燃料電池方面，碳納米管將被大量使用，電池將會是以后的大行業(yè)，它的儲能性將可以使得這個行業(yè)有很大的發(fā)展。除了電池之外，碳納米管還會被用于納米金屬導線等，碳納米管因為其被廣泛使用而讓人類社會進入納米時代。

4.結(jié)術(shù)語

碳納米管是最近幾十年被發(fā)現(xiàn)的一種新型材料，具有很高的可塑性，很多領(lǐng)域的專家都將其列為研究的重點，例如碳納米管在電池、電子等等領(lǐng)域的使用，這將可以讓人類進入一個環(huán)保的時代，正是碳納米管的特殊性讓我們可以實現(xiàn)這個飛躍，它不同于以往的材料，它的特殊性讓很多不可能實現(xiàn)的東西現(xiàn)在都變得有可能，碳納米管將會成為人類文明進步的基礎(chǔ)，將推動人類社會的發(fā)展。