论文题目: 天然纳米矿物作为催化剂CVD法合成碳纳米管及碳纳米管吸氢性能的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料物理与化学
作者: 程继鹏
导师: 张孝彬
关键词: 碳纳米管,化学气相沉积,催化剂载体,天然纳米矿物,储氢
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 碳纳米管的制备方法及其相关应用研究,是近十年来科学研究的热点。人们已开发出多种方法进行碳纳米管的制备,主要包括电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积(CVD)等。相关的理论计算和实验测试表明,碳纳米管具有优良的导电、导热以及机械力学性能等,可以用于制作纳电子器件、场发射平板显示器、传感器、显微镜探针、高导热、导电性和优良机械性能的复合材料等。碳纳米管潜在的应用前景促使研究人员通过不同方法实现其可控大量制备,其中以CVD法最有可能制备出大量的满足商业应用和研究需求的碳纳米管。本论文简要概括了碳纳米管的形态、结构、物理性能及其制备方法,其中重点阐述了CVD法,同时讨论了催化剂载体对碳纳米管合成的影响。在此基础上,作者设计并采用特殊天然纳米矿物和纳米碳酸钙作为催化剂载体进行碳纳米管的制备。论文还评述了近几年来碳纳米管储氢的研究,文献报道的储氢结果很分散,为客观评估碳纳米管可能的储氢能力,作者在论文的最后一部分进行了碳纳米管及其相关材料的吸氢实验,并对实验结果进行了初步的分析。天然一维多孔海泡石族矿物,海泡石和坡缕石,在尺寸、形状和结构构造上都与人工合成的纳米材料(碳纳米管)十分相似。实验结果证实,它们都可以作为催化剂的载体,沉淀法承载金属催化剂,直接裂解乙炔,催化合成多壁碳纳米管。由于它们与金属催化剂之间的作用较强,可以避免高温下纳米金属催化剂颗粒的团聚,从其表面可以生长出直径均匀的碳纳米管。小粒径的催化剂金属催化活性良好,而较大颗粒的金属催化剂则被石墨层包覆,失去了催化活性。在上述情况下,天然纳米矿物材料仅仅充当了催化剂的载体,促使碳纳米管生长的是过渡族金属元素。坡缕石经过钛酸脂处理后,蕴含于其内部的金属铁元素在高温还原性气氛下可以改变其存在的状态,成为金属催化剂,裂解乙炔合成多壁碳纳米管。该催化剂的催化能力与温度紧密相关,因为高温下坡缕石将发生相变。在高温情况下,合成碳纳米管的内部嵌有一段或多段以其内孔为模板的Fe3C纳米线。进一步的实验证实,大洋锰结核矿物可以直接用作CVD法制备碳纳米管的催化剂。经过实验工艺的调整,还能够合成高产率的螺旋状多壁碳纳米管,在产物中还发现了形态、结构特殊的三重螺旋碳纳米结构。在实验观察的基础上,文中还提出了新的碳纳米管生长模式,即底部和顶部模式的叠加。 为了使CVD法合成的粗产物易于纯化,本文详细研究了纳米碳酸钙载体负载金属催化剂,分解乙炔合成碳纳米管的实验参数研究,包括金属催化剂的种类和含量、反应温度和时间等。实验结果表明,产物不仅易于纯化,而且提纯工艺不会影响到碳纳米管的结构特征,同时拓宽了纳米碳酸钙的应用领域。 在上述合成条件下,碳纳米管的产率明显地受到了催化剂和催化剂载体热稳定性的影响。高温条件通常有利于碳氢气体的裂解和金属催化剂活性的发挥,但是高温相变导致矿物多孔结构的坍塌,纳米碳酸钙载体的瓦解程度也随温度的升高而加剧,都会影响到金属催化剂的团聚和分布,并导致碳纳米管产率的降低。因此,为了保证碳纳米管的产率,一个适当的中等的反应温度是必须的。 室温中压下,作者制备的多壁碳纳米管及其相关材料的吸氢能力都<lwt%,氢气分子以物理吸附的方式与碳材料作用。机械球磨可以将碳纳米管剪切成短的纳米管,同时使其具有更多的结构缺陷,适当的球磨可以增加碳纳米管的吸氢能力,而过度的球磨则破坏了纳米管的结构,使其吸氮能力降低。定向碳纳米材料的间隙空间可以成为氢气吸附的位置,但是也不可能使其吸氢能力达到>lwt%。目前,室温中压条件下,碳纳米管的气态吸氢能力不可能达到应用的要求。关键词:碳纳米管,化学气相沉积,催化剂载体,天然纳米矿物,储氢
论文目录:
第一章 文献综述及研究目的
1． 1 碳纳米管的简介
1． 1． 1 碳纳米管的发现
1． 1． 2 碳纳米管的种类
1． 1． 2． 1 单壁碳纳米管
1． 1． 2． 2 多壁碳纳米管
1． 1． 3 碳纳米管的物理特性
1． 1． 3． 1 电学特性
1． 1． 3． 2 导热特性
1． 1． 3． 3 力学性质
1． 1． 4 碳纳米管的应用前景
1． 1． 5 碳纳米管的主要合成方法
1． 1． 5． 1 电弧放电法
1． 1． 5． 2 激光蒸发法
1． 1． 5． 3 化学气相沉积法(CVD)
1． 2 CVD法合成碳纳米管
1． 2． 1 CVD法合成碳纳米管的简介
1． 2． 2 CVD法合成碳纳米管的工艺过程和设备简介
1． 2． 3 CVD法合成碳纳米管的机理
1． 2． 4 载体型催化剂
1． 2． 4． 1 载体对合成碳纳米管的影响
1． 2． 4． 2 催化剂载体的种类
1． 3 碳纳米管储氢的研究
1． 3． 1 氢能研究的意义和紧迫性
1． 3． 2 碳材料储氢的研究
1． 3． 3 碳纳米管储氢的研究
1． 3． 3． 1 实验研究
1． 3． 3． 2 理论计算研究
1． 4 本论文的研究内容
参考文献
第二章 天然一维矿物催化剂载体CVD法制备碳纳米管
2． 1 海泡石载体催化剂CVD法制备碳纳米管
2． 1． 1 载体矿物海泡石的简介
2． 1． 2 海泡石载体催化剂的制备
2． 1． 3 碳纳米管的制备和表征
2． 2 坡缕石载体催化剂CVD法制备碳纳米管
2． 2． 1 载体矿物坡缕石的简介
2． 2． 2 坡缕石载体的表征和催化剂的制备
2． 2． 2． 1 坡缕石的表征
2． 2． 2． 2 坡缕石载体催化剂的制备
2． 2． 3 碳纳米管的制备和表征
2． 3 钛酸脂改性坡缕石裂解乙炔制备碳纳米管
2． 3． 1 钛酸脂改性坡缕石的实验
2． 3． 2 钛酸脂改性坡缕石制备碳纳米管
2． 3． 3 温度的对碳纳米管产率的影响
2． 3． 4 碳纳米管包裹Fe_3C纳米线的初步研究
2． 3． 5 催化碳纳米管生长的机理
2． 4 本章小结
参考文献
第三章 大洋锰结核催化剂合成多壁碳纳米管
3． 1 大洋锰结核的简介与表征
3． 1． 1 大洋锰结核的简介
3． 1． 2 大洋锰结核的应用现状与前景
3． 1． 3 大洋锰结核的表征
3． 2 大洋锰结核催化合成碳纳米管及产物的表征
3． 2． 1 实验部分
3． 2． 2 碳纳米管的生长模式
3． 3 螺旋状碳纳米管的制备及三重螺旋纳米碳结构的表征
3． 4 本章小结
参考文献
第四章 纳米碳酸钙负载金属催化剂制备碳纳米管
4． 1 纳米碳酸钙的表征
4． 2 负载过渡金属催化剂的优化
4． 3 金属催化剂种类的影响
4． 4 反应温度的影响
4． 5 反应时间对碳纳米管的产率及其结晶程度的影响
4． 6 产物的提纯和表征
4． 7 本章小结
参考文献
第五章 碳纳米材料吸氢的初步研究
5． 1 吸氢实验装置和计算方法
5． 1． 1 固体吸氢测试方法的简介
5． 1． 2 实验设备简介
5． 1． 3 实验过程和计算
5． 1． 3． 1 实验过程
5． 1． 3． 2 实验结果的计算
5． 1． 3． 3 实验设备的标定
5． 2 多壁碳纳米管的球磨处理及其吸氢实验
5． 2． 1 碳纳米管的球磨
5． 2． 2 球磨样品的表征
5． 2． 3 吸氢实验测试
5． 3 定向碳纳米材料吸氢性能的测试
5． 3． 1 定向纳米碳纤维的制备及其吸氢实验
5． 3． 2 定向碳纳米管束的吸氢实验
5． 4 本章小结
参考文献
附录 攻读博士学位期间发表和接收的论文
致谢
发布时间: 2005-04-29
参考文献
- [1].SiC纳米阵列和异质结构的调控生长、形成机理及性能研究[D]. 齐晓霞.太原理工大学2016
相关论文
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- [5].鱼骨状纳米碳纤维与多壁纳米碳管的制备及其储氢、储锂性能研究[D]. 黄宛真.浙江大学2005
- [6].定向碳纳米管、掺硼碳纳米管的ECR-CVD法制备与表征[D]. 王志.东北大学2004
- [7].碳纳米管在硅基衬底上的化学气相沉积生长研究[D]. 李聃.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2006
- [8].碳基纳米材料的合成及储氢性能的研究[D]. 钱文.中国科学技术大学2006
- [9].新型一维碳纳米材料的热CVD法合成及性能研究[D]. 陶新永.浙江大学2007
- [10].碳纳米管的制备新方法和应用[D]. 陈学成.中国科学院研究生院（理化技术研究所）2008