铜基纳米粒子催化碳纤维生长模式的研究

论文摘要

本文以微波辅助化学法、氧化还原法、氢电弧等离子体法等制备了铜基纳米粒子,并以此为催化剂生长纳米碳纤维。主要研究了以下内容:一、利用微波辅助化学法和氧化还原法合成铜纳米粒子,并以此为催化剂,热解乙炔制备纳米碳纤维。采用简单、方便的微波法和氧化还原法,成功制备了铜纳米粒子。实验结果表明,反应方式、表面活性剂、反应时间等实验条件,均对铜纳米粒子的形貌和成分有影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）等对产物进行表征。研究结果表明,以乙二醇为溶剂,水合肼为还原剂,五水硫酸铜为铜源,氢氧化钠为pH调节剂,采用微波加热,可以制备纯净、无杂质、结晶性好的球形铜纳米粒子;采用水为溶剂,硼氢化钠为还原剂,五水硫酸铜为铜源,氢氧化钠为pH调节剂,通过氧化还原法成功地制备了不同形貌的铜纳米粒子。改变表面活性剂和反应时间,可以控制铜粒子形貌的变化:EDTA-2Na利于截角立方体形貌铜粒子的生长;CTAB利于一维带状铜粒子的生长。以不同形貌的催化剂生长碳纤维,球形催化剂粒子可以催化生成多种形貌的碳纤维;一维带状铜粒子倾向于生成平行生长的簇状碳纤维;截角立方形的催化剂可以催化多枝状碳纤维;小尺寸的催化剂粒子具有更高的产率。二、以经过不同前处理的硅片为基底,通过微波法镀铜,并以此为催化剂,热解乙炔制备纳米碳纤维。通过微波辅助加热,以乙二醇为溶剂,以五水硫酸铜、水合肼为原料,氢氧化钠为pH调节剂,成功地在硅片表面镀铜纳米粒子。经过敏化活化处理的硅片,表面具有活性,可以得到均匀的铜镀层,纳米粒子的尺寸为30nm,均匀致密,并可以催化对称生长的碳纤维;经过抛光腐蚀处理的硅片,表面暴露出活性面,出现一系列的腐蚀坑;抛光3 min、腐蚀15 min时所得到的硅片,腐蚀坑均匀,为沿[110]排列的（111）腐蚀坑。得到的铜镀层致密,呈膜状结构,并沿[110]发生断裂。在此铜镀层上生长的碳纤维,长径比大,并沿铜镀层的断裂方向,即[110]生长。三、以二氧化硅和碳包覆的表面改性铜纳米粒子,热解乙炔制备纳米碳纤维。用氨水催化正硅酸乙酯的水解,在铜纳米粒子表面包覆了一层均匀的二氧化硅。包覆层厚为10 nm,均匀完整。以此催化碳纤维,活性大的铜纳米粒子,如（220）面生长的颗粒,会优先离开二氧化硅包覆层,参与到催化反应中。以氢电弧等离子体法制备的碳包覆铜纳米粒子,尺寸均匀,为20 nm,外部包覆一层碳。以此为催化剂,可以制备单螺旋及对称螺旋生长的碳纤维。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米碳纤维的结构、形貌
• 1.2 纳米碳纤维的制备方法
• 1.2.1 基体法
• 1.2.2 喷淋法
• 1.2.3 浮游法
• 1.2.4 化学气相沉积法
• 1.3 纳米催化剂的制备方法
• 1.3.1 纳米铜粒子的制备
• 1.3.1.1 固相法
• 1.3.1.2 气相法
• 1.3.1.3 液相法
• 1.3.1.4 微波辅助法
• 1.3.2 纳米铜粒子的表面改性
• 1.3.2.1 二氧化硅包覆金属粒子
• 1.3.2.2 碳包覆金属粒子
• 1.4 纳米碳纤维生长机理的研究
• 1.5 纳米碳纤维的应用
• 1.5.1 微波吸收材料
• 1.5.2 催化剂载体材料
• 1.5.3 复合材料
• 1.5.4 电子材料
• 1.5.5 新能源材料
• 1.6 论文主要研究内容
• 1.7 论文选题的目的及意义
• 第二章 铜纳米粒子催化碳纤维生长的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验仪器及试剂
• 2.2.1 实验所用仪器及试剂
• 2.2.2 实验所用设备图
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 微波法制备铜纳米粒子
• 2.3.2 氧化还原法制备铜纳米粒子
• 2.3.3 铜纳米粒子催化碳纤维的生长
• 2.3.4 测试手段
• 2.3.4.1 扫描电子显微镜
• 2.3.4.2 透射电子显微镜
• 2.3.4.3 X射线衍射谱仪
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 微波法制备铜纳米粒子
• 2.4.2 氧化还原法制备铜纳米粒子
• 2.4.2.1 表面活性剂对铜纳米粒子的影响
• 2.4.2.2 反应时间对铜纳米粒子的影响
• 2.4.3 铜纳米粒子催化碳纤维的生长
• 2.5 本章小结
• 第三章 硅基底铜纳米粒子催化纳米碳纤维生长的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验仪器及试剂
• 3.2.1 实验所用仪器及试剂
• 3.2.2 实验所用设备
• 3.3 实验步骤
• 3.3.1 硅片的前期处理
• 3.3.1.1 硅片的敏化活化处理
• 3.3.1.2 硅片的抛光腐蚀处理
• 3.3.2 在硅基底上生长铜纳米粒子
• 3.3.3 在硅基底上铜纳米粒子催化碳纤维的生长
• 3.3.4 测试手段
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 前处理对硅基底的影响
• 3.4.2 前处理对硅基底镀铜的影响
• 3.4.3 硅基底前处理对铜纳米粒子催化碳纤维的影响
• 3.4.4 反应时间对硅基底上铜纳米粒子催化碳纤维的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 改性铜纳米粒子催化碳纤维生长的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验仪器及试剂
• 4.2.1 实验仪器及试剂
• 4.2.2 实验所用设备图
• 4.3 实验步骤
• 4.3.1 二氧化硅包覆铜纳米粒子的制备
• 4.3.2 碳包覆铜纳米粒子的制备
• 4.3.3 催化碳纤维的生长
• 4.3.4 测试手段
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 二氧化硅包覆铜纳米粒子催化碳纤维的生长
• 4.4.2 碳包覆铜纳米粒子催化碳纤维的生长
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录