碳纤维表界面修饰及其光催化还原二氧化碳应用研究

发布时间：2020-07-28 16:57

【摘要】：碳纤维由于其优良的机械性能常被用作基体材料制备碳纤维纳米复合材料,在能源、环境等领域有广泛的应用前景。选择碳纤维用于能源光催化反应的研究主要是由于在光催化过程中,碳纤维具有一些独特的基本特征,符合光催化过程的要求:首先,作为光敏剂,碳纤维可以改善可见光区域内的光响应;其次,碳纤维具有高导电性,可以及时传输光生成的电子,以防止光生载流子之间的重新组合;第三,碳纤维的大表面积和优异的吸收能力使其成为制备复合材料的优良载体。碳纤维表面存在一些化学惰性,因此碳纤维在制备纳米复合材料前通常会进行适当的表面修饰来提升比表面积,修饰表面电学性能,使其更适于制备纳米复合材料。本论文从碳纤维表面刻蚀和复合生长两方面研究碳纤维材料的表面性质以及在光催化还原二氧化碳中的应用。主要工作包括:1.碳纤维表面刻蚀利用金属纳米颗粒的局域热效应刻蚀碳纤维,在碳纤维表面形成疏松多孔结构,对碳纤维比表面积提升可达60倍,深度可达300 nm。研究表明传统的热处理和表面等离激元都能诱导金属纳米颗粒表面局域热效应,在热效应作用下金属纳米颗粒周围碳原子被氧化,从而实现对碳纤维的表面刻蚀。同时,研究还发现金属纳米颗粒表面的局域热效应,难以破坏完整的C-sp2结构,刻蚀更倾向于发生在空位、晶界等具有不完整石墨结构的缺陷附近。2.碳纤维表面生长纳米复合材料Hummers法是宏量制备氧化石墨烯的稳定方法,其废液具有强酸强氧化性。本工作以Hummers废液结合TiCl4作为前驱溶液,在碳纤维表面原位获得高比表面积碳纤维-TiO2纳米复合结构,在光催化还原二氧化碳的应用中,展现了相对于硫酸、双氧水等寻常前驱液更优良的反应速率。研究表明,Hummers废液中的强酸性和强氧化性,诱导了锐钛矿结构TiO2在碳纤维表面高密度的定向生长。同时,随着TiO2生长的进行,碳纤维表面也被刻蚀,最终形成了高比表面积的碳纤维-TiO2纳米复合结构。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ342.742;O643.36
【图文】：

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生长一些特定的材料与碳纤维形成复合材料来应用于光催化的研宄。逡逑１．２碳纤维表面处理技术逡逑碳纤维表面属于疏水表面见图１．２，其接触角大于１３５°。在制备研宄碳纤逡逑维复合材料的过程中，基体材料与增强体在界面相遇并且相互复合从而形成复逡逑合材料，因此界面相在两者相结合的过程中起到了“桥梁”的作用界面相具有逡逑均匀传递载荷以及阻碍材料间裂纹延展的作用。在复合材料的研究中，界面尤其逡逑２逡逑

示意图,表面接触角,碳纤维,进行性

逦缠绕结晶带逦石墨＾逡逑图１．１碳纤维结构示意图逡逑由于碳纤维表面表皮是由惰性的石墨微晶结构规则排列开来的，这样导致逡逑碳纤维的比表面积和表面能都很低，其表面无法实现良好的浸润作用，周边的逡逑活性碳原子或者是极性基团的原子很少，从而使没有经过处理的碳纤维表面无逡逑法实现与基体树脂的有效粘结［９］。以碳纤维为基底做复合材料主要是靠其表面的逡逑微观结构和特性，提高碳纤维的界面能可以很好的将外界载荷由基体树脂传达逡逑给碳纤维，提高界面能的方法可以在其表面制作缺陷使其破坏外表皮均匀致密逡逑的表面排列的石墨微晶结构，这样可以有效的利用碳纤维高强度和高模量等机逡逑械性能来实现并提高了碳纤维复合材料的机械性能。制作表面缺陷也可以很好的逡逑实现碳纤维表面浸润效果，有效的提高其比表面积，这样可以用于水相水热合逡逑成的碳纤维复合材料做一些能源储备的应用如锂离子电池、超电容等以及作为开逡逑发新能源的材料也可以用于水热法、化学气相沉积、电沉积等技术来外延逡逑生长一些特定的材料与碳纤维形成复合材料来应用于光催化的研宄。逡逑１．２碳纤维表面处理技术逡逑碳纤维表面属于疏水表面见图１．２

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图１．３光催化反应示意图ｒｅｐｒｉｎｔｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｒｅｆ（３４］逡逑Ｔｉ０２纳米材料是一种典型的ｎ型半导体氧化物光催化材料，其光催化原理逡逑［３４１如图１．３所示。可以进一步使用半导体能带理论进行解释，在光催化中入射逡逑光波长ａ）选定取决于半导体禁带宽度由特定波长的光源激发，处于价带逡逑的电子获得能量穿过禁带被激发到导带上从而形成自由电子ｅ？，而同时在价带逡逑中形成空穴ｈ＋，从而形成了电子－空穴对（ｅ－，ｈ＋），由于是经过光照实现的，逡逑７逡逑

【参考文献】