多孔基体负载的碳纳米管复合膜制备及其气体渗透性能.pdf

V01．30 高等学校化学学报 No．3 OF 2009年3月 CHEMICALJOURNALCHINESEUNIVERSmES 544—548 多孔基体负载的碳纳米管复合膜制备 及其气体渗透性能 米万良，苏庆泉 (北京科技大学热科学与能源工程系，北京100083) 摘要采用改进的浮动催化法在多孔A1：O，基体上制备了垂直取向的碳纳米管阵列，并用旋转喷涂法将聚 苯乙烯填充于碳纳米管的空隙，进一步将其制备成复合碳纳米管膜，研究了H：和CO：单组分在碳纳米管复 合膜中的渗透性能，实验结果表明，H：／CO：的理想分离系数随着复合膜中碳管管径的减小而增大，在管径 较小的复合膜中，气体渗透分离系数高于努森扩散限制，达到6．25，具有一定的分离效果．两种气体在复合 膜中的渗透率随着渗透温度的增加而减小． 关键词碳纳米管复合膜；渗透率；浮动催化法 中图分类号0643．36 文献标识码A 文章编号0251-0790(2009)03-0544-05 膜分离是工业上能耗最低的一种物质分离过程，气体膜分离法是一项新型的分离技术．与低温蒸 馏法和深冷吸附法等传统分离方法相比，它具有分离效率高、．能耗较低、操作简便等优点，因而显示 出了良好的应用前景H1．膜材料的性质和制备方法对膜的分离性能影响很大，是膜研究的核心内容之 一．许多纳米膜是由聚合物材料构成的，聚合物对于气体的分离具有较高的物质通量，但选择性较低， 同时，聚合物膜不能应用于高温条件．因此探索新型膜材料及其制备方法，对纳米级无机膜的研究十 分重要．碳纳米管自1991年被发现以来，因其在力学、热学、电学、磁学、储氖等方面具有极其特殊 和优异的性能，而掀起了对其研究的热潮，然而很多研究集中在上述几个方面，而基于碳纳米管准一 维纳米孔道结构的应用基础研究还比较少．由于碳纳米管孔道由石墨片卷曲而成，被认为是最具有高 度规则内孔的材料，因此在这种极光滑内孔中的物质传递现象具有一定的特殊性．事实上，Skoulidas 等_。通过原子模拟计算了轻气体在碳纳米管内孔中的传递．结果表明，轻气体在碳纳米管中的传递速 度要比在相同孔径的沸石或其它微孑L材料的传递速率快几个数量级，这从理论上预测r物质在碳纳米 管内孔中比在寻常材料中具有更加优异的传递扩散性能．如果将碳纳米管制备成膜，利用碳管一维孔 道的特殊性质进行气体渗透分离，这将开辟碳纳米管新的府用领域，同时也将扩展无机膜材料的应用 领域和制备方法，关于碳纳米管膜的理论与实验研究对碳纳米管膜的应用具有重要的理论指导意义， 并为其工业化奠定了基础． 本文采用浮动催化法在多孔基体上制备了取向一致的碳纳米管阵列，通过聚苯乙烯密封碳纳米管 间隙，进而将碳纳米管制备成复合膜，研究了单组分气体H：和CO：在碳纳米管复合膜中的渗透性能． 1实验部分 1．1多孔基体的制备 将具有一定粒度的a—AI：O，粉末和水以一定比例混合，搅拌均匀，取一定量置于压片模具中，首 先以76kN压力挤压，然后翻转模具，再以152 kN的压力压成片．把所压制的AI：O，片干燥一段时间 后，在1180oC下焙烧30 h，再在1280oC焙烧2h，焙烧后的a．AI：O，片机械强度得到了大幅度提高， 不易破碎并能形成一定的孔结构，焙烧结束后依次用300，600和1000目砂纸研磨支撑体的一个表面， 收稿日期：2008-06-30． 基金项目：长江学者奖励计划(批准号和国家自然科学基金(批准号资助． 联系人简介：米万良，男，博士，讲师，主要从事催化、纳米材料和无机膜技术研究．E．mail：wlmi@me．ustb．edu．cn 万方数据万方数据 No．3 米万良等：多孔基体负载的碳纳米管复合膜制备及其气体渗透性能 545 直到表面光滑如镜，无微小划痕，再经过丙酮溶液超声清洗O．5h，于50℃下烘干1d备用． 1．2多孔基体上生长垂直取向的碳纳