High-yield production of large aspect ratio carbon nanotubes via catalytic pyrolysis of cheap coal tar pitch

热解 煤焦油 材料科学 催化作用 碳纳米管 碳纤维 扫描电子显微镜 化学工程 吸附 透射电子显微镜 纳米技术 化学 有机化学 复合材料 工程类 复合数
作者
Jianbo Song,Haijun Zhang,Junkai Wang,Liang Huang,Shaowei Zhang
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:130: 701-713 被引量:59
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2018.01.060
摘要

High aspect ratio (up to 5000) multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were prepared on a large scale via Co-catalyzed pyrolysis of cheap coal tar pitch at 973–1273 K in an Ar-based atmosphere. Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy investigations revealed that as-prepared carbon nanotubes were ca. 200 μm, 40 nm and 10 nm respectively, in length, outer diameter, and wall thickness. Density functional theory calculations suggest that the in-situ reduced Co catalyst from the original cobalt nitrate precursor facilitated the cleavage of C=C and C-H bonds in adsorbed C2H4 molecules by increasing the bond length and decreasing the bond strength via donating electrons to the C atoms. The straight MWCNTs grew from/on the Co clusters through a decomposition-diffusion-penetration mechanism. The catalytic formation of high aspect ratio MWCNTs from coal tar pitch stated above can be used to improve mechanical properties of carbon-containing refractory composites. As revealed by our work, cold crushing strength and modulus of rupture of a model Al2O3-carbon refractory containing 0.75 wt% Co catalyst were respectively 26% and 34% higher than in the case of its catalyst-free counterpart, indicating the strong reinforcement effects of in-situ formed MWCNTs.

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