高分子塑料催化裂解制备碳纳米管的研究

＊柳启豪 祝媛媛

（湖北大学知行学院生物与化学工程学院 湖北 430000）

塑料自从被发明创造以来因为其耐水、耐腐蚀而且比金属更轻的优点就被人类广泛使用于各个领域，但是塑料相比较于金属也有其缺点，塑料在自然条件下是不能降解的，因为人类的大规模使用已经造成了严重的白色污染。目前对于塑料有效的处理方法仅仅是焚烧和找地方填埋，但是这样的处理方法也会造成二次污染，因为塑料被燃烧会产生多氯化苯并二恶英等有害物质，塑料在带给人类方面的同时也带来了不可逆转的污染，但是塑料的使用已经在人类的世界里变得不可或缺，想要取消塑料的存在几乎不可能，因此很多研究人员就从如何无公害有效处理塑料的角度出发，希望从其他角度解决塑料的污染问题。

1.采用高分子塑料催化裂解碳纳米管的重要性

因为塑料造成的污染是十分严重的，但是因为其方便性和实用性又难以割舍，因此很多人都想找出一个可以让塑料处理污染最小化的方法来解决这个问题。在最近几年的研究当中高分子塑料催化裂解制备碳纳米管的研究引起业界广泛的关注。因为碳纳米管的拉深强度、密度以及热导率这三项数据均优于钢管，这个新发现让其成为很多专家研究新材料的焦点。在众多制造碳纳米管的方法当中成本最低效率最高的就是催化裂解。

2.以镍作为催化裂解塑料制造碳纳米管

镍作为裂解塑料制造碳纳米管的催化剂比铁使用的频率更加高，这是因为镍能更加好的对塑料裂解产生催化作用，其中的原理就是塑料当中聚化合物当中的C-C、C-H键更容易被镍催化裂解。而且在进行催化裂解的过程当中镍作为催化剂更加稳定可靠，这就是镍比铁更适合作为碳纳米管裂解催化剂的原因。

(1)尝试用气相沉积法以及镍作为催化剂制作碳纳米管的研究

最近的多项研究表明，使用600℃到800℃的气相沉积法制备实验时，镍可以作为催化剂将废弃的聚丙烯制作成纳米管。这可以制造出在光电子器配件当中使用的碳纳米管，在研究调查当中，只要制备温度达到400℃的时候，聚丙烯可以分解成为碳氢化合物单体。

(2)碳纳米管的使用范围

碳纳米管因为其独特性可以使用的范围非常大，可以适用于众多领域，许多研究人员都在找碳纳米管的可能性。

①纳米催化剂的制作

裂解制备的基础就是催化剂，制备出来的效果如何全部由催化剂的形态、规格、结构、尺寸等因素决定。现在研究最多的纳米级金属催化剂就是镍和铁，上述已经对比两者的不同，这里要说的就是金属催化剂和其他催化剂的区别，金属作为催化剂不同于其他是因为金属催化时是不需要其他载体的，可以单独作为催化剂使用，因此在综合性和经济性方面来考虑都是极好的催化剂。

②碳纳米管的制作

CNTs的制备关键工艺是使用天然气等催化剂，这是碳纳米管的制备工艺，这都直接决定CNTs的规格、产量和质量。比较有效的是U形管，这种移动床反应器是由前驱体原位活化制备纳米催化剂以及天然气催化裂解设备和其他形态碳除去组合成。

在U形管当中会有三段反应，第一段是催化剂和还原气体相接触，在这个阶段催化活性物会被催化成所需的结构和尺寸，这样的催化物会随着气温的升高而变大，在这种情况下生成的CNTs的管会变得非常大，接着就是第二段反应，CNTs会在原料气的活化下变成设计的尺寸，因为催化剂和原料气的方向是相反的，所以可以保证原料气的转化率和CNT的收率。最后一段就是生成的碳纳米管和氧化性接触，这个时候的CNTs是被氧化的，而且相对活泼，这个时候的CNTs两端都已经被氧化，会有催化剂颗粒露出来。

③碳纳米管催化和催化剂循环利用

CNTs的初成品被从U形管当中拿出来的时候已经是被氧化后的碳，已经没有其他物质依附在表面，但是还有部分催化剂在当中。再接下来就是需要将CNTs纯化，因为刚被拿出来的CNTs是初产品。因为之前采用的催化剂是酸性的催化剂，所以需要拿稀酸溶解催化剂。这种催化剂在60-80℃下可以溶解CNTs初产品中的催化剂，经过过滤可以得到其中的催化剂溶液，之后还需要补充对应的离子米配比各元素，经一部配置纳米催化剂，最后时限催化剂主要成分的循环利用。

④碳纳米管的发现

说了碳纳米管的制作，再说一下碳纳米管的发现，碳纳米管出现的时间很早，在碳纳米管被正式研究公布之前，就已经有人可以将其制作出来，但是以当时的知识不能解释这种碳的新形态，所以一直都处于一种未被公开的状态。最早可能被人类发现的时间是十九世纪中期，当时就已经有人发现类似碳纳米管的结构，在过后的几年，有人在制作卷轴状石墨晶须的时候就已经有碳纳米管的生成伴生。

到了二十世纪，有人在调查两个石墨电极间通电产生活化生成碳纤维时，会有小纤维覆盖在其表面，在其后的几年，科学家对这种纤维进行反复检测，最后发现在其石墨排列的碳组合当中有几层晶体碳包在一起，这就是碳纳米管的一种形态，但是当时涉及到知识盲点，所以没有被公布出来，直到1991年日本人在高分辨率的电子显微镜下观察发现石墨电弧发电时发现一种直径只有纳米级别的管状物体，才正式命名这种物体为碳纳米管，碳纳米是一种具有独特化学和物理性质的化学物质，它具有高度的机械强度还有金属或半导体的特性，这可以导致电子发射性能和宽带电磁波被吸收，在各个领域这种新的物质都被广泛利用，而且最近几年这种使用的范围越来越广泛，例如生命科学、环境科学、自动化技术、航空技术航天技术、能源技术都将这种物质作为研究对象，目前已经掀起一场碳纳米管的使用和试验浪潮。

⑤碳纳米管的分类、结构和缺陷

碳纳米管有两种不同的形态，第一种是单层石墨片卷曲，这种叫单壁碳纳米管，第二种是多层石墨片卷曲，这叫做多壁碳纳米管，两种都是无缝纳米极管，单层碳纳米管是表面覆盖一层直径1到3纳米的单层纳米管，因为是单层的原因，所以极为不稳定，而多壁纳米管则是覆盖大于0.3335纳米的多层纳米管，而这种纳米管可以根据其晶体结构和螺旋角度的不同分为螺旋形和非螺旋形纳米管，不同的碳纳米管具有不同的导电性，因为导电性的差异，碳纳米管可以分成金属碳纳米管和半导体纳米管。纳米管有不同的结构状态，有三个碳原子完全键合而成六角形网络结构。碳纳米管虽然是一种很好的材料，但是也有其缺陷型，作为一种理想的材料，碳纳米管应该是一种无缝结构，但是实际的碳纳米管比理想当中的缺陷多很多，实际的碳纳米管存在局部的不连续性，而且由很多小的石墨碎片结合而成，这是一种拼凑的管状体，所以是不完整，不连续的，而且这种碳纳米管的长程有序性不高，碳纳米管是卷筒结构，因为其层间距离、螺旋形和邻层面碳原子排列取向的不同很容易造成层间的错位，这就会导致碳纳米管的两端以及柱面部分存在畸形的变化，这种变化分为五元环和七元环，它们都会存在正面和负面的高斯弯曲，这是一种结构性的缺陷，但是这里要做一下说明，碳纳米管并未发现小于五元碳环的存在。

3.碳纳米管的性能及其应用

碳纳米管因为其具有多种可能性而被人们广泛研究，它将会对人们的社会发展做出及其重要的贡献，以下将从几个方面对碳纳米管的性能及其应用做出分析介绍。

(1)碳纳米管的力学性能及其应用

碳纳米管是一种理论上强度比钢还要高100倍的材料，而且经过检测，它还具有非常高的杨氏模量，这就证明碳纳米管除了强度之外还具有超强的韧性，这在传统材料中是从未出现过的，所以碳纳米管也被称为材料世界当中的超级纤维，因为其独特的力学性质，碳纳米管将会被作为复合材料的增强剂。除了物理性质，碳纳米管还有其化学性质，经过检测，碳纳米管还具有很强的导电性，而且化学性质十分稳定，所以被使用于隧道扫描显微镜，这就是碳纳米管商业化的一种形式。

(2)碳纳米管的发射性能及其应用

碳纳米管也因为其具有纳米尺度的尖端，可以适用于电子的发射，因此很多研究者都在这方面做出研究，经过一段时间的研究和实验，证明了碳纳米管在真空电子领域使用的可能性，很多大公司也公开宣布将在微波放大器、真空电源开关、场致发射电子枪中使用这种材料。

(3)碳纳米管的吸附性能及应用

因为碳纳米管的结构是一个多壁的材料，具有较大的表面积，因此也成为了储存氢气的最佳材料，在燃料电池方面，碳纳米管将被大量使用，电池将会是以后的大行业，它的储能性将可以使得这个行业有很大的发展。除了电池之外，碳纳米管还会被用于纳米金属导线等，碳纳米管因为其被广泛使用而让人类社会进入纳米时代。

4.结术语

碳纳米管是最近几十年被发现的一种新型材料，具有很高的可塑性，很多领域的专家都将其列为研究的重点，例如碳纳米管在电池、电子等等领域的使用，这将可以让人类进入一个环保的时代，正是碳纳米管的特殊性让我们可以实现这个飞跃，它不同于以往的材料，它的特殊性让很多不可能实现的东西现在都变得有可能，碳纳米管将会成为人类文明进步的基础，将推动人类社会的发展。