天然纤维素纤维负载镍催化剂高效合成碳纳米管的筛选与机理研究

本研究针对碳纳米管(CNTs)合成中催化剂载体选择的关键问题，创新性地采用天然纤维素纤维(CF)作为镍基催化剂载体，系统比较了Al2O3、ZSM-5等六种载体的性能差异。研究发现5 wt.% Ni/CF在750℃条件下可获得高石墨化度(ID/IG=0.74)和碳收率(2080 mg/gcat)，揭示了载体微观结构对金属-载体相互作用(MSI)的调控机制，为绿色合成高性能CNTs提供了新策略。

　　

碳纳米管(CNTs)自1991年发现以来，因其独特的管状结构和卓越的导电、力学性能，在透明导电薄膜、高强度纤维等领域展现出巨大应用潜力。然而，传统制备方法面临催化剂载体选择受限、工艺复杂等挑战。特别是分子筛等无机载体需强酸处理去除，而生物质原料组分复杂导致CNTs质量不稳定。如何开发环境友好型载体并阐明生长机制，成为推动CNTs规模化应用的关键科学问题。

针对这一挑战，中国某高校的研究团队创新性地提出利用天然纤维素纤维(CF)的均一微观结构作为催化剂载体，通过化学气相沉积(CVD)法实现了高质量CNTs的绿色合成。研究发现，在750℃反应温度和5 wt.%镍负载量条件下，Ni/CF催化剂表现出最优性能，其CNTs的缺陷密度(I_D/I_G=0.74)和碳收率(2080 mg/g_cat)显著优于传统载体。该成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为生物质资源高值化利用提供了新思路。

关键技术方法包括：1) 采用浸渍法制备六种镍基催化剂(CF/木质素/生物炭等载体)；2) 通过H₂-TPR(程序升温还原)分析金属-载体相互作用强度；3) 在600-800℃温度区间优化甲烷分解条件；4) 使用拉曼光谱(I_D/I_G值)和TEM表征CNTs结构。

材料与表征
研究选用商业纤维素纤维(CF)与γ-Al₂O₃等五种传统载体对比，通过硝酸镍溶液浸渍制备催化剂。H₂-TPR显示Ni/CF具有适中的还原温度，表明其金属-载体相互作用(MSI)强度介于强相互作用的Ni/Al₂O₃与弱相互作用的Ni/ZSM-5之间。

碳纳米管合成
TEM观察发现Ni/CF生长的CNTs直径均匀(50-70 nm)，遵循顶端生长机制。拉曼光谱证实其石墨化程度最高(I_D/I_G=0.74)，优于酸处理生物质载体(如竹粉I_D/I_G>1.0)。实验证明CF的平行纤维素束结构有利于镍纳米颗粒分散，而β-1,4糖苷键形成的氢键网络可稳定活性金属位点。

条件优化
系统考察发现：1) 750℃时碳沉积速率与石墨化程度达到平衡；2) 镍负载量超过5 wt.%会导致颗粒团聚；3) 铁/钴基催化剂虽能生长CNTs，但石墨化程度较镍基降低15-20%。

结论与意义
该研究首次证实天然纤维素纤维可作为理想CNTs生长载体，其优势体现在：1) 免预处理简化工艺；2) 均一孔径促进金属分散；3) 适中MSI强度优化碳扩散。相比传统载体，Ni/CF在保持CNTs结构完整性的同时，碳收率提高30%以上。这一发现不仅拓展了生物质在纳米材料制备中的应用，也为设计新型金属-生物质复合催化剂提供了理论依据。