低维碳材料和硼酸镁纳米材料的可控合成与机理研究

论文摘要

本论文主要探索了低维碳材料（零维洋葱状富勒烯、一维碳纳米管和二维单原子石墨片层）和硼酸镁纳米材料的可控合成工艺,并对所制备的材料进行了详细的表征和形成机理的探讨。主要研究成果如下:1.用化学气相沉积法在常压700℃和Y型沸石作载体条件下,制备了零维碳纳米材料—洋葱状富勒烯。结合Y型沸石载体独特的择型催化功能和HRTEM图像的超微结构分析,提出洋葱状富勒烯的生长机理为由内到外逐层石墨化的气固模型。2.内包铁或碳化铁的洋葱状富勒烯通过控制碳源类型分别被获得。通过XRD、SEM和TEM等表征手段对它们进行了表征分析及确认。研究结果表明,载气种类实质性地影响形成产物的形貌,适当氢气的参与使刻蚀石墨层占主导,内包铁颗粒洋葱状富勒烯成为最终的产物;然而当没有氢气时,金属的催化效率占主导,形成碳纳米管。对内包铁的洋葱状富勒烯电磁特性研究表明,其具有较高的介电损耗与磁损耗,这为它作为新型微波吸收材料提供了支持数据。3.为了克服洋葱状富勒烯疏水性的限制,使其获得更为广泛的应用空间,通过硝酸回流法对原始粗产品进行了有效的提纯,并采用甲苯回流法对洋葱状富勒烯进行了表面的化学修饰实验。红外光（FT-IR）对修饰前后的样品分析表明,洋葱状富勒烯与金属钾在甲苯中回流可形成洋葱状富勒烯羟基化合物。4.通过引入液态碳源和催化剂前驱体到等离子体系中,使得生成碳纳米管工艺有效省去了催化剂的繁琐制备及预处理。而且充分利用等离子鞘电场的作用,使碳纳米管保持了垂直取向性。研究表明,生长碳纳米管的最佳工艺参数分别是:二茂铁溶液浓度1%（wt）;输入功率250 W;反应压强80 Pa。并对生长形成的垂直取向碳纳米管薄膜在真空下进行了场发射测试,表明其有能力在将来作为显示器的发射体材料得到应用。5.对二维石墨片graphene材料制备进行了自下而上和自上而下两个方向的初步探索研究。在等离子体中的研究结果表明,氢气浓度对graphene的生长起着重要的影响,并在镀有镍颗粒的单晶硅衬底上获得了厚度小于10 nm的多层graphene薄膜。通过在乙醇中减磨铅笔芯的办法,获得了层数主要分布在10-15层的graphene薄膜。研究结果也表明,由于水的极性较高,难以获得较为平坦graphene薄膜,不利于作为减磨铅笔芯的介质。6.采用了溶剂热法（水和乙醇做溶剂）合成出了物相和形貌可控的一维硼酸镁纳米棒。研究结果表明,在溶剂的超临界状态下,无需表面活性剂的参与,能直接合成出一维硼酸镁纳米棒。通过XRD、HRTEM和XPS对产物相的成份进行了分析。针对不同反应阶段产物SEM像的观察,提出了硼酸镁纳米棒的形成机理。我们认为该合成工艺为其它硼酸盐结构的合成也提供了一个新的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 纳米材料分类及研究方法
• 1.2 碳的各种同素异形体
• 1.3 洋葱状富勒烯-零维碳材料
• 1.3.1 洋葱状富勒烯的结构模型
• 1.3.2 洋葱状富勒烯的特性及潜在的应用
• 1.3.3 洋葱状富勒烯的制备方法
• 1.3.4 洋葱状富勒烯的生长机理
• 1.4 碳纳米管-一维碳材料
• 1.4.1 碳纳米管分类与结构
• 1.4.2 碳纳米管的性质与应用
• 1.4.3 碳纳米管的制备方法
• 1.4.4 生长模式和取向性机理
• 1.5 石墨烯片（graphene）-二维碳材料
• 1.5.1 Graphene的发现及其真实形貌
• 1.5.2 Graphene的电子结构
• 1.5.3 Graphene的物理特性
• 1.5.4 Graphene应用器件研究
• 1.6 一维硼酸镁纳米材料
• 1.7 本论文的选题思路及主要工作
• 参考文献
• 第二章 洋葱状富勒烯—零维碳纳米结构的控制合成
• 2.1 引言
• 2.2 洋葱状富勒烯的合成与表征
• 2.2.1 实验方法
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.3 内包纳米铁或碳化铁颗粒洋葱状富勒烯的合成与表征
• 2.3.1 实验设备和原料
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 测试与表征
• 2.3.4 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 洋葱状富勒烯的提纯和表面修饰
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 提纯处理
• 3.2.2 表面修饰
• 3.2.3 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 内包金属OLFs的纯化
• 3.3.2 OLFs的化学修饰
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 感应耦合等离子体法制备垂直取向碳纳米管
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 反应装置及原材料
• 4.2.2 反应步骤
• 4.2.3 测试与表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 SEM、TEM图和RAMAN谱观察分析
• 4.3.2 二茂铁对碳纳米管生长的影响
• 4.3.3 射频输入功率对碳纳米管的影响
• 4.3.4 反应压强对生成产物形貌的影响
• 4.3.5 碳纳米管生长和取向性机理分析
• 4.3.6 场发射性能测试
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 二维碳材料-graphene的制备研究
• 5.1 引言
• 5.2 感应耦合等离子体实验
• 5.2.1 实验设备及方法
• 5.2.2 测试与表征
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.3 溶液中减磨石墨片的方法
• 5.3.1 实验装置和材料
• 5.3.2 测试与表征
• 5.3.3 结果与讨论
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 硼酸镁一维纳米材料的制备和表征
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验仪器及试剂
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.3 测试与表征
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 形貌观察与物相确认
• 6.3.2 形成机理分析
• 6.3.3 初始溶液中Mg/B离子比率对产物的影响
• 6.3.4 溶剂介质对产物形貌的影响
• 6.3.5 PVP表面活性剂对产物形貌的影响
• 6.3.6 单根纳米线电导率的测量
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢