纳米金刚石和碳纳米管表面纳米涂层制备及结构性能研究

论文摘要

纳米金刚石和碳纳米管具备碳材料和纳米材料的双重特性,在众多研究领域拥有巨大的应用潜力。但是它们也同时具备了碳材料热稳定性差和纳米材料易团聚的特点,严重阻碍了它们的广泛应用。采用合适的沉积方法对其进行表面改性是解决这一问题的有效途径。此外,还能赋予纳米金刚石和碳纳米管新的物化性能,扩宽其应用范围。本论文在纳米金刚石和碳纳米管表面准原子层沉积镀硅、镀钛,并通过直接氧化处理钛镀层和ZrOCl2?8H2O恒温水解制备氧化钛和氧化锆涂层,实现了纳米金刚石和碳纳米管表面纳米涂层的均匀沉积改性。以SiH4为前驱体在纳米金刚石和碳纳米管表面准原子层沉积硅镀层。反应温度从400 ?C升高到500 ?C,硅镀层由晶态变为非晶态,沉积温度提高到600 ?C,镀层又由非晶态变为晶态。500 ?C时,镀层完全由非晶态硅组成,非常均匀光滑,与基体的同形性也最好。单次循环反应周期的镀层平均厚度为1-2 nm,随着循环次数的增加,镀层逐渐增厚。硅镀层完整连续,能显著提高纳米金刚石和碳纳米管在空气中的抗氧化性能,5 nm金刚石和碳纳米管循环沉积10次镀硅后,加热到1300 ?C的氧化失重仅有1.23%和6.68%。采用准原子层沉积方法通过H2还原TiCl4在纳米金刚石和碳纳米管表面镀钛。温度较低为650 ?C时,镀层主要是六方相金属钛,棒状纳米晶均匀分布。反应温度升高至750 ?C时,界面反应更容易,镀层主要为立方相碳化钛,由不规则几何形的纳米颗粒组成,镀层比较光滑。随循环次数的增加镀层逐渐增厚,但结构形貌变化不大。纳米金刚石和碳纳米管镀钛后在乙醇溶液中的分散性变好,悬浮液可稳定存放半年不发生明显分层。700 ?C、循环沉积5次镀钛的纳米金刚石和碳纳米管在空气中氧化处理20 min获得氧化钛镀层。温度从500 ?C升高到900 ?C时,氧化钛层的结构由锐钛矿逐渐转变为更加稳定的金红石。涂层由球形氧化钛晶粒组成,均匀连续,完整覆盖基体表面,晶粒大小均在10 nm以下。以ZrOCl2?8H2O为前驱体,90 ?C长时间恒温水解,在纳米金刚石和碳纳米管表面沉积完全同形的氧化锆涂层,制备出核壳结构的纳米金刚石（碳纳米管）/氧化锆纳米复合材料。氧化锆壳层为单斜相晶体,且涂层厚度随反应时间的延长而增加。选用不同循环次数准原子层沉积镀硅和镀钛的纳米金刚石为原料,在1300 ?C、5 GPa准等静压短时烧结90 s,得到SiC、TiC中介结合的纳米金刚石烧结体。循环沉积10次镀硅、镀钛的样品,镀层厚度适中,抗拉强度值也最高。原位反应形成的中介相在纳米金刚石颗粒周围均匀分布,不仅能抑制纳米晶粒的异常长大,而且有利于获得致密的烧结体。纳米金刚石表面涂覆氧化钛或氧化锆涂层有效提高了纳米金刚石电极的电化学活性。锐钛矿结构氧化钛涂覆的纳米金刚石粉末电极对NO2?的氧化有明显的催化作用,在污染物的检测和处理方面有很大的应用潜力。Pt-ZrO2/ND电极则能催化甲醇的氧化,比Pt/ND电极具有更好的电催化活性和稳定性,在直接甲醇燃料电池领域非常有发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米金刚石简介
• 1.1.1 纳米金刚石的制备
• 1.1.2 纳米金刚石的特性
• 1.1.3 纳米金刚石的应用
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的制备
• 1.2.2 碳纳米管的特性
• 1.2.3 碳纳米管的应用
• 1.3 纳米粉体的表面改性
• 1.3.1 纳米粉体表面改性的目的
• 1.3.2 纳米粉体表面改性的方法
• 1.4 本课题的研究内容和意义
• 第2章 准原子层沉积硅镀层
• 2.1 实验过程和分析方法
• 2.1.1 准原子层沉积工艺
• 2.1.2 硅烷的吸附和分解
• 2.1.3 纳米粉体的镀覆及表征
• 2.2 纳米金刚石表面镀硅
• 2.2.1 硅镀层的结构
• 2.2.2 硅镀层的形貌
• 2.3 碳纳米管表面镀硅
• 2.3.1 硅镀层的结构
• 2.3.2 硅镀层的形貌
• 2.4 镀硅前后热稳定性的研究
• 2.4.1 纳米金刚石镀硅前后的热稳定性
• 2.4.2 碳纳米管镀硅前后的热稳定性
• 2.5 本章小结
• 第3章 准原子层沉积镀钛
• 3.1 实验过程和分析方法
• 3.2 镀钛纳米金刚石的结构形貌
• 3.2.1 镀钛纳米金刚石的结构
• 3.2.2 镀钛纳米金刚石的形貌
• 3.3 镀钛碳纳米管的结构形貌
• 3.3.1 沉积温度的影响
• 3.3.2 循环次数的影响
• 3.3.3 沉积工艺的特点
• 3.4 镀钛前后分散性的研究
• 3.4.1 纳米金刚石镀钛前后在乙醇中的分散
• 3.4.2 碳纳米管镀钛前后在乙醇中的分散
• 3.5 直接氧化获得氧化钛镀层
• 3.5.1 氧化处理方法及过程
• 3.5.2 纳米金刚石表面修饰氧化钛
• 3.5.3 碳纳米管表面修饰氧化钛
• 3.6 本章小结
• 第4章 水解涂覆氧化锆壳层
• 4.1 氧化锆涂层的水解制备
• 4.2 核壳结构纳米金刚石/氧化锆纳米复合材料
• 4.3 核壳结构碳纳米管/氧化锆纳米复合材料
• 4.4 本章小结
• 第5章 表面改性纳米金刚石的应用
• 5.1 SiC 和TiC 中介结合的纳米金刚石聚晶
• 5.1.1 纳米金刚石烧结体的制备
• 5.1.2 碳化硅中介结合的纳米金刚石聚晶
• 5.1.3 碳化钛中介结合的纳米金刚石聚晶
• 5.2 涂覆氧化钛和氧化锆的纳米金刚石电极
• 5.2.1 涂覆氧化钛的纳米金刚石粉末电极
• 5.2.2 涂覆氧化锆的纳米金刚石修饰电极
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介