学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

新颖碳基纳米材料的合成与性能研究

作　者: 祁小四
导　师: 钟伟
学　校: 南京大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳纳米材料碳纳米管纳米颗粒纳米复合材料纳米棒纳米带尺寸氢气还原高产率碳纳米球纳米复合物合成方法碳纳米纤维制备方法激光蒸发法微波吸收性能可控合成微波吸收材料催化剂表面碳基
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 479次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

自Kroto和Iijima发现并制备碳纳米管以来,碳纳米管因其独特的物理、化学性质以及广阔的应用前景而引起全世界众多科学家的强烈关注。作为碳材料的一种同素异形体,碳纳米管的径向尺寸为纳米量级,其轴向尺寸为微米量级,主要是由呈六边形排列的碳原子构成一层到几十层甚至更多层的同轴圆管组成。一经发现,便在各个领域掀起了碳纳米材料以及碳纳米复合材料的研究热潮。其重要的研究领域包括：碳纳米材料的制备、性能及其应用。目前最常用的碳纳米材料的制备方法主要有三种：电弧放电法、激光蒸发法和催化化学气相沉积法。而大量的研究结果表明催化化学气相沉积法可大规模地合成碳纳米材料,有效地减低了碳纳米材料的生产成本,这为碳纳米材料的广泛应用提供了坚实的基础。此外,由于碳纳米管具有高表面积和中空的管道结构等特点,使得其在复合材料领域亦有着非常诱人的利用前景。例如碳纳米材料包裹金属及金属氧化物纳米颗粒可以作为一种新型的纳米复合材料,作为壳层的纳米碳材料由于其自身独特的物理和化学性质在有效地保护其核层的同时,亦很好地优化了核心材料自身的性能,使得所形成的复合材料在磁记录、微波吸收、催化剂以及超级电容器等领域都有着非常大的应用前景,因此碳纳米复合材料一直成为近几年研究的热点。其次,Dunlaph和Ihara等人通过理论计算和分子模拟等手段首次证实了若在碳纳米管的碳六环结构中引入碳五、七环将导致管状结构出现弯曲环绕,形成螺旋状碳纳材料。螺旋碳纳米材料不仅具备众多碳纳米材料本征的优异物理和化学性能而且还具有其自身螺旋结构所带来的优势,具有良好的能量吸收能力。且其螺旋度对碳纳米材料的电子输运特性具有决定性的作用,不同螺旋度的碳纳米材料可以分别表现出金属或者半导体的特性。螺旋碳材料由于其特殊的螺旋状结构亦被看做是一种手性碳材料,在高性能增强复合材料、气体储藏、生物合成催化剂、微型电感、微弹簧等微机械元件领域有着广阔的应用前景。螺旋碳纳米材料是目前认为最有望同时满足新一代吸波材料的各项要求,成为真正的轻质、高频、强吸收、强耐侯的新型电磁波吸收材料。尽管在其理论和实验研究领域上都取到了很大的进步,但在实际生产中,高选择性的螺旋碳纳米材料却一直很难被大量合成。化学气相沉积法因其设备简单、反应温度低、操作简单、反应过程易控等优点而成为目前最常用的碳纳米材料的制备方法。此方法主要过程是利用碳氢化合物作为碳源,以过渡金属如Fe, Co, Ni等或其合金为催化剂,在一定温度下,通过催化裂解过程而达到合成碳纳米材料的目的。而要得到单一的碳纳米材料,须经过多重的复杂净化过程以达到除去催化剂的目的,这一过程往往会对碳纳米材料带来很大的损害,也势必会大大提高其合成成本。因而寻找一种水溶性的催化剂材料以替代传统的金属催化剂一直是近几年研究的重点。针对以上存在的重大问题,我们在这些方面做了大量的研究。本文在碳纳米材料的研究和工作主要包括以下几个方面：(一)碳纳米材料的合成、性能及其形成机制的研究(ⅰ)利用溶胶凝胶法合成NiO纳米颗粒作为催化剂前驱体,以难分解的苯作为碳源,在较低温度下(350-500℃),利用催化化学气相沉积的方法高产、高选择性地可控合成了碳纳米棒和碳纳米管。通过合理地选择催化剂及其制备方法,并对液态苯在特定的温度下采取适当的热处理,使得我们成功地在较低温度条件下就能够实现高产、高选择性的碳纳米棒和碳纳米管的可控生长。结合之前的相关报道和本实验观察的现象和结果,定性地给出了碳纳米棒和碳纳米管的形成机制。(ⅱ)通过在传统催化剂纳米材料中引入适当的添加剂以便更加有效地提高单一催化剂材料的催化效果,从而更加有效地实现高产率碳纳米材料的合成。首先,我们通过溶胶凝胶和氢气还原的方法制备了Fe/SnO2催化剂材料,通过在适当温度下催化裂解乙炔,成功地实现了极高产率的碳纳米纤维的合成。通过有效地控制乙炔的分解温度,可以实现极高产率的碳纳米纤维、竹节状碳纳米管以及链状碳纳米球的可控生长。本文还比较系统地研究和探讨了所合成碳纳米材料的微波吸收性能和形成机制。(ⅲ)沿着上面的研究思路和想法,利用溶胶凝胶和氢气还原的方法制备了Fe-Cu纳米颗粒作为催化剂材料,通过在适当的温度下催化裂解乙炔,合成了两种可极易分离的高产率的碳纳米材料(颜色和位置不同)：高选择性的碳／催化剂的复合材料和碳纳米带。通过精确地控制实验条件,系统地研究和分析了催化剂的还原温度、催化剂的组分等因素对实验结果的影响,从而摸索出制备这两种材料的最佳实验条件,并定性地分析和讨论了材料的形成机制。性能研究表明这两种材料均表现出比较好的微波吸收性能。(二)螺旋碳纳米材料的合成及其性能的研究鉴于高选择性螺旋碳纳米材料一直难合成的现状,我们首次报道了利用共沉淀法制备Fe2O3纳米颗粒作为催化剂前驱体,通过催化化学气相沉积的方法成功地实现了高选择性双螺旋碳纳米管的大量合成。通过控制氢气在乙炔催化裂解过程中的通入时间,有效地控制了不同结构的螺旋碳纳米管的生长。而通过控制氢气在乙炔催化裂解过程中的流速,实现了高产率不同螺旋度的碳纳米管的可控合成,从而有效地解决了一直备受人们关注高选择性、高产率的碳纳米螺旋管难合成的问题。研究发现由于螺旋碳纳米管和催化剂纳米颗粒所形成的特殊的核壳结构,使得该种螺旋碳纳米复合物表现出良好的磁性能和微波吸收性能,是一种很好的“轻质、宽频、强吸收”微波吸收材料。(三)水溶性催化剂合成碳纳米材料的研究利用简单的化学方法成功地合成了不同的水溶性催化剂材料,通过控制催化裂解温度和催化剂的种类,可以高产率地可控合成出不同结构的碳纳米材料,从而解决了长期以来困扰人们的高纯碳纳米材料难合成的问题。打破了以往只有金属材料才可以作为催化剂的传统观念,开拓了合成碳纳米材料所需催化剂的另一个全新研究领域;有效地解决了以往所合成的碳纳米材料中催化剂难去除的问题,为碳纳米材料的更为广泛的应用奠定了物质基础。

全文目录

摘要  3-7
Abstract  7-16
第一章综述  16-47
  1.1 碳纳米材料的简介  16-19
  1.2 碳纳米管的性能  19-25
    1.2.1 力学性能  19-21
    1.2.2 电磁学性能  21-22
    1.2.3 光学性能  22-23
    1.2.4 热学性能  23-24
    1.2.5 化学性能  24-25
  1.3 碳纳米管的主要应用  25-29
    1.3.1 场致发射显示器  25
    1.3.2 储氢材料及催化剂载体  25-26
    1.3.3 超级电容器及锂离子电池的电极材料  26-27
    1.3.4 吸波和隐身材料  27-28
    1.3.5 复合材料领域  28-29
  1.4 碳纳米管的制备方法  29-33
    1.4.1 石墨电弧法  29-31
    1.4.2 激光蒸发法  31-32
    1.4.3 化学气相沉积法  32-33
    1.4.4 其他新型制备方法  33
  1.5 碳纳米管的生长机理  33-37
    1.5.1 电弧法制备碳纳米管的生长模型  34-35
    1.5.2 激光蒸发法制备碳纳米管的生长模型  35
    1.5.3 化学气相沉积法制备碳纳米管生长模型  35-37
  1.6 本文的选题依据与主要研究工作  37-40
  参考文献  40-47
第二章材料制备与表征  47-56
  2.1 碳纳米材料及碳纳米复合材料的制备  47-48
  2.2 样品的表征方法及其原理  48-56
    2.2.1 X射线衍射(XRD)  48-49
    2.2.2 透射电子显微镜(TEM)  49-50
    2.2.3 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)  50-51
    2.2.4 激光拉曼光谱  51-52
    2.2.5 热稳定分析仪  52-53
    2.2.6 红外光谱  53
    2.2.7 超导量子磁强计(SQUID)  53-54
    2.2.8 磁谱测量仪  54-56
第三章 Ni纳米颗粒催化裂解苯合成碳纳米材料及其磁性能  56-72
  3.1 引言  56-57
  3.2 实验部分  57-58
  3.3 结果和讨论部分  58-68
    3.3.1 所制备C-350样品的微结构和磁性能  58-62
    3.3.2 裂解温度的影响  62-65
    3.3.3 催化剂质量的影响  65-66
    3.3.4 样品在空气或者氩气中的热稳定性  66-67
    3.3.5 碳纳米管和碳纳米棒的形成机制  67-68
  3.4 本章小结  68-70
  参考文献  70-72
第四章不同结构碳纳米材料的可控生长及性能研究  72-90
  4.1 引言  72-73
  4.2 实验部分  73-74
    4.2.1 催化剂前驱体的制备  73
    4.2.2 不同结构的碳纳米材料的制备  73-74
  4.3 实验的结果和讨论  74-85
    4.3.1 催化剂的表征  74-75
    4.3.2 所合成碳纳米纤维的微结构和其微波吸收性能  75-77
    4.3.3 分解温度的影响  77-80
    4.3.4 链状碳纳米球的表征及其微波吸收性能  80-82
    4.3.5 添加剂材料的作用  82
    4.3.6 不同结构的碳纳米材料的形成机制  82-85
  4.4 本章小结  85-86
  参考文献  86-90
第五章碳纳米复合物和碳纳米带的合成及性能研究  90-119
  5.1 引言  90-91
  5.2 实验部分  91-93
    5.2.1 催化剂前驱体的制备  91
    5.2.2 碳纳米复合物和碳纳米带的制备  91-93
  5.3 实验的结果和讨论  93-113
    5.3.1 催化剂前驱体Fe_2O_3/CuO的晶体结构  93
    5.3.2 AK-B和AN-B样品的微结构  93-96
    5.3.3 催化剂前驱体还原温度的影响  96-104
    5.3.4 不同Fe、Cu含量催化剂的影响  104-110
    5.3.5 裂解温度和催化剂种类的影响  110-112
    5.3.6 可能的反应机制  112-113
  5.4 本章小结  113-115
  参考文献  115-119
第六章螺旋碳纳米材料的合成及其磁性能研究  119-138
  6.1 引言  119-120
  6.2 实验部分  120-122
    6.2.1 催化剂前驱体的制备  120-121
    6.2.2 不同螺旋结构的碳纳米管的合成  121-122
  6.3 实验的结果和讨论  122-135
    6.3.1 螺旋碳纳米管的微结构和磁性能  122-126
    6.3.2 氢气通入的影响  126-132
    6.3.3 氢气通入时间对乙炔分解的影响  132-135
  6.4 本章小结  135-136
  参考文献  136-138
第七章不同螺旋度碳纳米管的合成及微波吸波性能的研究  138-154
  7.1 引言  138-139
  7.2 实验部分  139-140
  7.3 实验的结果和讨论  140-149
    7.3.1 SA样品的表征和微波吸收性能  140-142
    7.3.2 SB样品的微结构、电磁性能及微波吸收性能  142-146
    7.3.3 氢气流量的影响  146-149
  7.4 本章小结  149-151
  参考文献  151-154
第八章水溶性催化剂催化合成碳纳米材料  154-161
  8.1 引言  154-155
  8.2 实验部分  155
  8.3 实验的结果和讨论  155-157
  8.4 本章小结  157-158
  参考文献  158-161
第九章结论  161-163
攻读博士期间所完成的论文  163-165
致谢  165-167

新颖碳基纳米材料的合成与性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文