Xúc tác để chế tạo nano cacbon được sử dụng là các oxit kim loại hoặc hỗn hợp oxit kim loại. Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để điều chế xúc tác như:
Phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt...Trong bản luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp cháy ướt trên thiết bị liên tục (phương pháp này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của Viện Hóa học Vật liệu/Viện khoa hoc và công nghệ quân sự).
Bản chất của phương pháp cháy ướt là chất xúc tác được đưa lên chất mang là các oxit kim loại như: Al2O3, MgO, SiO2... Các chất có hoạt tính xúc tác là những kim loại như Fe, Co, Ni…có kích thước nano. Để chế tạo xúc tác theo phương pháp cháy ướt, đầu tiên chuẩn bị dung dịch muối nitrat của các kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni…), muối nitrat của kim loại sử dụng làm chất mang (Ca, Mg, Al…) và các chất khử thường được sử dụng: (NH2CH2COOH, C6H8O7, (NH2)2CO, C2H2O4).
Phản ứng diễn ra tức thì ở nhiệt độ cao 500-550oC, khí và hơi nước được thoát ra một cách nhanh chóng. Bằng phương pháp này cho phép thu được chất xúc tác với kích thước đồng nhất, diện tích bề mặt riêng lớn và tỉ trọng thấp. Mấu chốt của phương pháp là chuẩn bị dung dịch của các muối nitrat và dung dịch chất khử phù hợp với các tỉ lệ được xác định. Hỗn hợp dung dịch được đưa vào trong khu vực phản ứng một cách liên tục, tại khu vực phản ứng nhiệt độ luôn được duy trì trong khoảng 300-400 oC. Phản ứng diễn ra rất mãnh liệt và kèm theo lượng khí thoát ra,
sản phẩm thu hồi một cách liên tục. Xúc tác cho quá trình tổng hợp ống nano cacbon thường được sử dụng là Co/MgO, Ni/MgO, Fe/MgO hoặc phức của nhiều oxit kim loại như Co,Mo/MgO; Fe,Mo/MgO, sản phẩm tạo thành là dung dịch rắn với kích cỡ nano.
Phương trình phản ứng hóa học để điều chế xúc tác như sau:
M(NO3)2 + 5C2H2O4 MO + 10CO2 + 5H2O + N2 9M(NO3)2 + 5C6H8O4 9MO + 30CO2 + 20H2O + 9N2 9M(NO3)2 + 10NH2CH2COOH 9MO + 20CO2 + 25H2O + 14N2 M: là kim loại Mg, Ni, Co
Đối với Fe, Al thì theo phương trình phản ứng sau:
6M(NO3)3 + 5C6H8O7 → 3M2O3 + 30CO2 + 20H2O + 9N2
6M(NO3)3 + 10NH2CH2COOH → 3M2O3 + 20CO2 + 2H2O + 1N2 2M(NO3)3 + 5(NH2)2CO → M2O3 + 5CO2 + 10H2O + 8N2
Sơ đồ công nghệ để chế tạo xúc tác theo phương pháp cháy ướt gồm: bơm nguyên liệu; ống thủy tinh chịu nhiệt; bộ phận gia nhiệt: cyclone, được mô như hình 2.6.
Hình 2.6. Sơ đồ thiết bị quá trình tổng hợp xúc tác: 1-Ống thủy tinh chịu nhiệt; 2-Thiết bị gia nhiệt; 3-Cyclone
Từ sơ đồ nguyên lý, thiết bị tổng hợp xúc tác theo phương pháp cháy ướt trên thiết bị liên tục được chế tạo (hình 2.7).
Hình 2.7. Thiết bị chế tạo xúc tác bằng phương pháp bằng phương pháp cháy ướt (PTN Viện Hóa học vật liệu)
Để chế tạo xúc tác tiến hành như sau: cân chính xác các lượng hóa chất để chế tạo xúc tác cũng như chất mang, hòa tan trong một lượng nước vừa đủ (có thể tăng khả năng hòa tan của hỗn hợp bằng cách gia nhiệt <100oC). Sau khi tan hết, hỗn hợp được đưa vào lò phản ứng dưới sự hỗ trợ của áp lực để hỗn hợp phản ứng được đưa vào lò ở dạng sương mù. Ống thủy tinh thạch anh được thiết kế với hệ thống mô tơ có thể quay với tốc độ 20 - 30 vòng /phút. Để thu được sản phẩm tạo thành và đuổi hết khí do quá trình phân hủy của nguyên liệu đã sử dụng thiết bị thu hồi dạng cyclone có gắn hệ thống quạt hút. Sản phẩm tạo thành được sa lắng xuống nhờ tự trọng và được thu trong bình chứa.
Sản phẩm tạo thành được kiểm tra đo đạc một số tính năng và chỉ tiêu như:
tỉ trọng; diện tích bề mặt; kích thước hạt.
Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của chất xúc tác là: kích thước hạt, tỉ trọng, diện tích bề mặt, tỉ lệ thành phần của các oxit kim loại. Một trong những yếu tố đánh giá sơ bộ chất lượng của chất xúc tác là tỉ trọng.
Tỉ trọng của xúc tác được xác định như sau: đong một lượng chính xác xúc tác trong một dụng cụ có thể tích xác định v, cân chính xác lượng đó trên cân phân tích với sai số 10-3 m, tỉ trọng được xác định theo công thức:
d: tỉ trọng (kg/m3) m: khối lượng (kg) V: thể tích (m3)
Diện tích bề mặt được xác định theo phương pháp đo BET, m2/g; kích thước hạt được đo theo phương phỏp laser, xỏc định đường kớnh trung bỡnh (àm). Với phương pháp liên tục có thể chế tạo một lượng lớn xúc tác đủ đáp ứng cho chế tạo nano cacbon phục vụ cho thí nghiệm.