电弧等离子体法制备石油残渣基碳纳米管及其应用

发布时间：2019-11-09 12:15

【摘要】：碳纳米管是一种完全由碳原子构成的一维材料。由于其独特的力学、电磁学、光学以及化学性能,碳纳米管一经发现,便在科学界引起了广泛的关注。本文利用电弧放电方法,以廉价的石油沥青和焦炭为原料,铁粉为催化剂在不同的放电气氛环境下制备碳纳米管,不仅实现了石油沥青和焦炭的高附加值利用,而且实现了对碳纳米管层数的精确调控。此外,我们还探讨了不同碳纳米管的生成条件。利用碳纳米管半导体性质以及电弧放电会使金属催化剂变成金属纳米颗粒附着在碳纳米管表面的性质,我们将其应用于两个清洁能源领域——太阳能电池和汽柴油加氢脱硫。主要研究结果如下:实现了以石油沥青和焦炭为原料,单层、双层和三层碳纳米管的可控制备。研究发现:当电弧放电气体氛围为氦气时,以石油沥青或焦炭为原料,均生成单壁碳纳米管。当放电气体氛围为氮气时,以石油沥青为原料,在阳极碳棒头部收集到的为双壁碳纳米管,而当以石油焦炭为原料时,生成的产物为单壁和双壁碳纳米管的混合物,混合比例大约为1:1。当放电气体氛围为氩气时,分别以石油焦炭和沥青为原料可以可控地制备出高纯度的双壁和三壁碳纳米管。值得注意的是,以石油沥青为原料时,生成的碳纳米管产量均十分低下,但是以石油焦炭为原料时,产量较高,尤其是在制备石油焦炭基双壁碳纳米管时,其产率最高,达到了7.82%。由于石油焦炭基单壁和双壁碳纳米管薄膜均呈现出p型半导体的性质,我们将其与硅片相结合构建出单壁和双壁碳纳米管基太阳能电池。在400-940 nm波长范围内,相同功率的光照射后发现,单壁碳纳米管基太阳能电池(SWCNTs/Si)展现出优于双壁碳纳米管基太阳能电池(DWCNTs/Si)的光电性能。对于SWCNTs/Si来说,输出功率对波长为630 nm和940 nm的光十分敏感。而DWCNTs/Si的最大输出功率则出现在880 nm。当入射光的波长相同,功率不同时,随着功率增加,两种太阳能电池的开路电压和短路电流均逐渐升高并趋于一个稳定值,光电转化效率均逐步降低。在1310 nm的红外光照射下,这两种太阳能电池的短路电流值大约相同,但是由于具有窄带隙的双壁碳纳米管更有利于吸收红外光,导致双壁碳纳米管基太阳能电池的开路电压约为单壁碳纳米管基太阳能电池的两倍,所以双壁管太阳能电池表现出更优异的性能。在电弧放电制备碳纳米管的过程中,金属催化剂趋于转变成金属纳米颗粒并附着在碳纳米管的表面。利用这一特性,我们以石墨粉为原料,制备出碳纳米管为载体的汽柴油加氢脱硫催化剂。双金属镍、钇负载在单壁碳纳米管表面,表现出优异的深度加氢脱硫(HDS)性能。特别是在HDS之前对催化剂进行预氧化处理之后,使催化剂中的金属单质被部分氧化,从而使其在HDS反应过程中发生自硫化现象,进而使其HDS性能得到了大幅度的提升。通过小型固定床加氢装置,以汽油模型化合物为原料,优选出HDS性能最好的镍钇/单壁碳纳米管催化剂,并且发现在制备催化剂过程中,碳纳米管载体生成的量越多,HDS性能越好。但是,在制备之后再单独加入碳纳米管以提高其含量的方法却并不能提高HDS性能。我们进一步将优选出的催化剂用于济南FCC汽油和呼和浩特FCC柴油加氢脱硫的性能评价。该催化剂在持续进料,重时空速为2 h-1时,可以将FCC汽油的硫含量从259 mg/L降低至小于1 mg/L,并且可以维持超过30个小时;同时,在相同条件下,该催化剂还可以使FCC柴油的硫含量从1126 mg/L降低至10 mg/L以下,反应活性可持续7个小时。
【图文】：

相图,相图,碳纳米管,文献综述

第 1 章文献综述米管或者富勒烯等不同物质（图 1.1）。碳纳米管是由石墨层子呈现出六边形的空间排列结构。其最外层的电子成键主要是碳纳米管的圆筒形结构，会导致量子限域和 sp2再杂化，使 s p 轨道却向管外侧偏离，正是这种偏离，使得碳纳米管比石墨性和导热性、以及更强的机械强度。在碳纳米管中可以经常看见具有闭口、弯曲、环形和螺旋状结在六方形网格结构中也存在着五元环和七元环等情况导致的，纳米管（图 1.2）。

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- 4 -图 1.2 碳纳米管的结构Fig. 1.2 The structure of carbon nanotube 碳纳米管的分类纳米管可以根据其管壁的层数差异分为单壁碳纳米管（SWCNTs），双管（DWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。图 1.3 即为不同层数的
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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