低维碳纳米材料的可控合成、表征及性能研究

发布时间：2020-10-15 02:19

　　 本论文旨在探索低维碳纳米材料的可控合成及其潜在应用。首先以小分子生物质葡萄糖为原料,利用水热碳化的方法,通过调控反应时间和反应温度,首次合成了形貌均一、分散性良好、粒径20-110 nm的碳纳米球。以上述碳纳米球为前驱体,通过氢氧化钾活化制备多孔碳材料。系统研究了前驱体粒径对该方法制备的多孔碳材料形貌和孔径结构的影响。多孔碳材料的孔径大小及孔径分布随着前驱体尺寸的变小而增大。当前驱体碳纳米球的尺寸从107 nm依次减小为87、54和28 nm时,其对应多孔碳材料的孔径分布依次为 0.7-1.92 nm、0.56-2.67 nm、0.56-4.03 nm 和 0.63-6.09 nm。当其用做超级电容器电极材料时,材料中微孔体积越大,表现出的质量比电容越高。以聚氨酯为原料,通过设置氢氧化钾对其预活化和活化的过程,成功合成了直径为51±5.2 nm,长度在2-8 μm之间的波状碳纳米线。通过系统研究氢氧化钾用量、预活化温度和活化温度对产物形貌和结构的影响,我们提出了其可能的形成机理并研究了其在分离金属纳米粒子和催化剂载体方面的潜在应用。首先利用湿法合成法制备了波状碳纳米滤膜,该滤膜在筛选不同尺寸的金纳米颗粒时表现出优异的过滤分离性能;利用柠檬酸钠还原法制备了 Pd纳米粒子/波状碳纳米线复合材料(Pd/WCNWs),其循环伏安和电流-时间测试结果说明该催化剂对电催化乙醇氧化具有优异的电催化氧化性、稳定性和长循环稳定性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71;TB383.1
【部分图文】：

是在Ｃ６〇的研究过程中发现的另一种碳纳米材料。碳纳米管??可以看成由不同层数的石墨片卷曲闭合形成的中空管状结构，两端一般由五??元碳环和七元碳环组成的半球形的富勒燁结构封住（图１－３）?［６】。每层碳纳??米管都是由六元碳环组成，层间距约为０．３４?ｎｍ，比结晶性石墨片层间的距??离（０．３３４?ｎｍ）稍大。??图１－３碳纳米管示意图??３??

下？？气体碳源（一氧化碳、甲烷、乙炔等）在高温下（８００－１２００?°Ｃ）裂解??产生碳原子，碳原子在催化剂（一般为过渡金属铜、钴、镍等）的催化作??用下重组形成碳纳米管，如图１－４所示。１９９９年，Ｄａｉ等人以甲烷为碳源，??在催化剂ＦｅＭ０／Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２上合成出了高质量的单壁碳纳米管，该合成方??法的成功取决于催化剂材料的选择［１９］。同样的，Ｖａｎｙｏｒｅｋ等人以乙烯为碳??源，在催化剂ＦｅＣｏ（Ｎｉ）／Ｓｉ０２上合成出了多壁碳纳米管［２￣。化学气相沉积??法具有收率高、反应条件易于控制等优点，最有可能实现碳纳米管大规模??生产。??ｈｉｎｇｅｄ?ｆｕｒｎａｃｅ??」?＼ｊ＾ｙ?■…?—－ｉｉ??ｒ????＇??１???３－？ａ＼?????．?ｃｏｎｎＭ－ｔｏｒ??ｎ〇？ｍ？ｃｒ?：??！??ｐｒｅｓｓｕｒｅ?Ｒａｎｇｅ??—…．…９?ｔ?１ｍ丄??２－？ａ＼?ｖａｌｖｒ??图１－４?ＣＶＤ法制备碳纳米管示意图??电弧放电法也广泛用于制备碳纳米管，其实验装置示意图如图１－５所??示。具体过程如下：电弧产生４０００?°Ｃ高温使处于水冷室中的石墨阳极蒸??发，即可在阴极上得到沉积的多壁碳纳米管。若将金属催化剂填充在石墨??棒中即可得到单壁碳纳米管［２｜，２２］。由于该方法的合成温度较高，因此得到??的碳纳米管含有的缺陷较少且石墨化程度较高。??４??

图１－５电弧放电法制备碳纳米管实验装置示意图??激光蒸发法是在惰性气氛中采用激光激发石墨靶，使其转化形成碳纳??米管，其实验装置示意图如图１－６所示。该方法得到的目标产物也是以多??壁碳纳米管为主，若在合成过程中引入催化剂，亦可得到单壁碳纳米管。??Ｓｍａｌｌｅｙ等人在钴和镍的存在下用强激光轰击石墨靶合成了克量级的单壁??碳纳米管［２３］。激光蒸发法合成的碳纳米管具有较高的纯度，无需进一步纯??化即可直接应用于科学研究。??丰??１?＾—．石英音??％??ｆｊ??ｙｉ＝ｒ??图１－６激光蒸发法制备碳纳米管示意图??（３）石墨烯??石墨烯，由单层碳原子组成的二维纳米材料，其中的碳原子均为ｓｐ２??杂化（图１－７）。石墨烯具有很高的理论比表面积２６３０?ｍ２?？ｇ＿１［：Ｍ】、良好的??热传导性５０００?Ｗｍ－１?．Ｋ－１［２５］、优异的电子迁移率２?ｘ?ｌ〇５?ｃｍ２?？?Ｖ－１?？?ｓ－ｕ２６】和??５??
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 李燕;姜斌;邓宏;蒋书文;周晓燕;;低维材料的研究[J];材料导报;2004年03期

2 马荣骏,邱电云;富勒烯碳分子的结构、性质与应用[J];矿冶工程;2000年04期

本文编号：2841541