论文题目: 螺旋碳纳米纤维的生长样式控制及其生长机理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 环境科学
作者: 覃勇
导师: 崔作林
关键词: 螺旋碳纳米纤维,对称生长模式,铜纳米晶,形状改变,聚合
文献来源: 中国海洋大学
发表年度: 2005
论文摘要: 采用酒石酸铜前驱体热分解得到的铜纳米粒子作为催化剖，在250℃的低温，催化乙炔的化学气相沉积，合成了螺旋形纳米纤维。反应条件简单，重复性好，产量高。采用SEM，TEM，XRD，IR，EDX，DSC/TG等分析方法对合成的螺旋纳米纤维进行了表征。产物是规则卷曲的单螺旋纤维，螺旋缠绕紧密，螺旋直径大约为100nm。这种螺旋纤维具有很好的可逆伸缩性和有趣的熔断性质。反应主要以聚合的方式进行。所得到的螺旋纳米纤维的分子结构是介于聚乙炔与碳纤维之间的一种新结构。经900℃高温热解，脱氢碳化后可最终得到螺旋碳纳米纤维。通过升高反应温度，保持其它反应条件不变，能可控制备不同螺旋直径的螺旋纤维。当反应温度为300℃时，螺旋纤维的螺旋直径达到500nm-1um。当反应温度为350℃时，螺旋直径达到2-3um。当反应温度为400℃时，螺旋直径达到10um。而当反应温度降到200℃时，产物纤维的分子结构接近反式聚乙炔的分子结构。采用TEM和SEM，研究了螺旋纳米纤维在纳米铜催化剂粒子上的生长样式。螺旋纳米纤维采取‘V’字形的镜像对称的孪生生长样式。这是一种新型的生长样式。在一个铜纳米粒子上，总是只生长两根螺旋纳米纤维。它们具有绝对相反的螺旋旋向，但却具有相同的纤维直径，纤维截面，螺旋直径，螺旋圈数，螺旋间距，和螺旋长度。并都有相同长度的不规则尖端。这两根螺旋纤维经常在相同螺旋圈数的位置同时发生螺旋旋向的改变，即螺旋反转。铜纳米粒子在纤维生长后呈现多面体的形貌，大多数粒子呈现菱形的多面体形状。两根螺旋纤维之间的夹角具有特征性，大多数夹角为大约70°或110°。铜纳米粒子在催化纤维的生长过程中，经历了一个重要的形状变化过程，即由初始的不规则形状变成了规则的多面体形状。当乙炔气体接触到不规则形状的铜纳米粒子时，首先生长两根直纤维，即后来的不规则尖端。同时铜纳米粒子的形状改变开始。当其形状变为规则的多面体之后开始生长螺旋纤维。形状变化的速率决定了不规则尖端的长度。在开始生长螺旋纤维之后，如果规则的多面体铜纳米粒子继续改变形状，两根螺旋纤维会发生螺旋反转，导致螺旋纤维中存在一段直线纤维。形状改变的速率决定了螺旋反转的速率，最终决定直线纤维段的长度。分析表明铜纳米粒子形状改变的驱动力来源于乙炔气体对铜纳米粒子晶面的吸附引起的表面能变化。铜纳米晶不同晶面活性差异是长螺旋纤维的首要条件。通过热分解草酸铜，丁酸铜，乳酸铜前驱体，硼氢化钠还原硫酸铜，和氢电弧等离子体法制备了几种不同来源的纳米铜催化剂。结果表明，氢电弧等离子体法制备的铜纳米粒子只能催化带状直纤维的生成，前驱体法和还原法制备的铜纳米粒子都能够催化乙炔的沉积生成规则卷曲对称生长的螺旋纤维。所以，螺旋纤维的螺旋形态和对称生长模式不是前驱体的酸根阴离子导致的，也不是酸根的手性引起的。纤维中催化剂粒子多面体形状的规则性是决定纤维是否以螺旋形态生中文摘要长的决定性因素。前驱体的分解和硫酸铜的硼氢化钠还原能够产生一种特殊形式的亚稳态的纳铜米品。在纤维生长过程中，这些粒子能从不规则的形状变成规则的多面体形状，有利于螺旋纤维的生长。而山氢电弧等离子体法制备的铜纳米粒子，在纤维生长过程中变成了不规则的多面体形状，不适合螺旋纤维的生长，所以最终只有带状直纤维生成。关键词:螺旋碳纳米纤维:对称生长模式;铜纳米晶;形状改变:聚合。
论文目录:
0 前言
0 碳纳米纤维的研究进展
0． 1 概述
0． 2 碳纳米纤维的催化生长
0． 2． 1 碳纤维的生长机制
0． 2． 2 碳纤维生长中催化剂的状态
0． 2． 3 催化剂粒子中间体-成核阶段
0． 2． 4 碳纤维的在金属粒子表面的生长面
0． 3 碳纳米纤维的结构、形貌
0． 3． 1 组成结构
0． 3． 2 宏观形貌
0． 4 碳纳米纤维的大量制备
0． 5 螺旋碳纤维的制备、形貌
0． 5． 1 烃高温热解制备螺旋碳纤维
0． 5． 2 螺旋形碳纤维/管的生长机制
0． 6 碳纳米纤维的应用
1 选题背景和立论依据
2 实验部分
2． 1 分析测试手段
2． 2 原料及试剂
2． 3 氢电弧等离子体法纳米金属粉制备设备
2． 4 反应设备
3 螺旋形碳纳米纤维的制备与表征
3． 1 催化剂制备及表征
3． 2 螺旋纤维的制备
3． 3 螺旋纤维的表征
3． 3． 1 螺旋纤维的SEM表征
3． 3． 2 螺旋纤维的TEM表征
3． 3． 3 螺旋纤维的XRD表征
3． 3． 4 螺旋纤维的C/H摩尔比率分析
3． 3． 5 螺旋纤维的IR表征
3． 3． 6 螺旋纤维的TG/DSC表征
3． 4 反应机理
小结
4 螺旋碳纤维的直径控制
4． 1 螺旋纤维的螺旋直径随反应温度的变化
4． 2 不同反应温度产物的表征
小结
5 螺旋纤维在铜纳米粒子上的对称生长
5． 1 螺旋纤维在纳米铜粒子上以相反旋向孪生生长
5． 2 螺旋纤维的不规则尖端
5． 3 螺旋纤维的螺旋反转
5． 4 螺旋纤维中催化剂粒子的多面体形状
5． 5 螺旋纤维之间的夹角
5． 6 对称生长螺旋纤维的FESEM观察
5． 7 螺旋纤维的弹性
5． 8 螺旋纤维的熔断性
小结
6 铜纳米晶在纤维生长过程中的形状改变
6． 1 铜纳米粒子在纤维生长前后的形状对比
6． 2 螺旋纤维的对称生长机制
6． 3 铜纳米晶在纤维生长过程中形状改变的驱动力
小结
7 铜纳米催化剂的合成方法对纤维形貌的影响
7． 1 纳米铜粒子的不同合成方法
7． 2 催化剂的形态对比
7． 3 产物形态的对比
7． 4 纤维中催化剂粒子的TEM形态对比
7． 5 纤维中催化剂粒子形貌的HRTEM对比
7． 6 相同螺旋旋向的大直径螺旋纤维
7． 7 催化剂不同来源对产物形貌的影响原因-小尺寸效应和亚稳态
小结
结论
参考文献
博士论文期间发表的论文
致谢
发布时间: 2005-03-30
参考文献
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