碳及含碳复合材料的合成、表征与性能研究

论文摘要

碳材料是一种即老且新的材料,用途相当广泛,在人们的生产、生活中发挥着重要的作用。新型碳材料的开发一直是材料科学工作者致力研究的课题。在对碳及含碳复合材料的合成、性能和应用等方面的发展现状进行了充分调研的基础上,本论文旨在探索制备新结构的微尺度碳及含碳复合材料,研究反应机理。采用还原热解法、催化热解法和自组装法,成功的制备出碳纳米颗粒、碳纳米管、碳纳米管组装的微球、不同形貌的Fe3O4@碳复合材料及其对应得碳空心材料等多种碳材料,通过对实验结果的分析并结合相关的文献报道,分别对它们的生长机理进行了探讨。还研究了碳纳米管在聚苯乙烯中的热性能,碳纳米管和碳纳米管微球作为催化剂载体的催化性能,以及碳复合材料的磁学性能。主要内容归纳如下:1.在溶剂热的基础上,一种还原裂解方法被用来合成碳实心纳米颗粒。在Na为还原剂下,沸点为50℃的全氟碳还原裂解生成碳纳米颗粒的产量高达90%以上。经对反应温度的调查,结果发现反应温度对碳纳米颗粒的大小起到了重要的作用。另外一个有意义的发现是,Na不存在时,50℃的全氟碳在500℃时都不裂解成碳,这使得这种全氟碳可以作为特殊的溶剂使用。2.采用自制的LaNiO3、LaCoO3、LaFeO3作为催化剂,催化分解乙醇,成功地合成了大量的碳纳米管,碳纳米管的产率达到75%以上。在这个体系中,乙醇被用作碳源,避免了使用有毒的、腐蚀性的碳源,达到了洁净生产的目的。利用LaNiO3为催化剂合成的碳纳米管作为聚苯乙烯的填充物制得了聚苯乙烯/碳纳米管的复合材料,并测试了其热性能,研究了其机理。3.发展催化裂解法,利用聚合物和Ni粉（或二茂铁）在高压釜中受热分解,成功地制备出了大直径的碳纳米管和碳纳米管组装的微球。二茂铁在反应中,既是碳源,又扮演生成催化剂的角色。接着,我们以合成的碳纳米管和碳纳米管微球作为催化剂载体制备了几种催化剂,并测试了催化剂的催化性能。4.为了保护Fe3O4被氧化,同时具有强的抗酸性能,创新性的运用了一种自组装法利用二茂铁、聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯和水之间发生的氧化还原反应,成功合成了一维链状Fe3O4纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料,并测试了酸处理前后的磁学性能,结果表明,这种一维链状Fe3O4纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料具有很好的耐酸性能。5.在成功制备了一维链状Fe3O4纳米颗粒@蠕虫状碳复合材料的基础上,通过改变实验条件,制得了六足状的Fe3O4@碳复合材料、片状的Fe3O4@碳复合材料和链状的Fe3O4@碳复合材料,在没有模板的条件下,完成了从三维、维到一维的形貌控制合成,并对它们的磁性能进行了测试与分析;通过酸处理得到了相应的碳空心结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 碳纳米管及其含碳复合材料的研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 碳的结构
• 1.2.1 碳的价键结构
• 1.2.2 碳的晶体结构
• 1.2.2.1 石墨
• 1.2.2.2 金刚石
• 1.2.2.3 富勒烯碳
• 1.2.2.4 碳纳米管
• 1.2.2.5 碳的其他结构
• 1.3 碳纳米管的研究进展
• 1.3.1 碳纳米管的基本结构和性质
• 1.3.2 碳纳米管的制备方法
• 1.3.2.1 电弧放电法
• 1.3.2.2 化学气相沉积法
• 1.3.2.3 激光蒸发法
• 1.3.2.4 密闭体系溶剂热合成法
• 1.3.3 碳纳米管的应用前景
• 1.3.3.1 碳纳米管/聚合物复合材料的力学和热学性质
• 1.3.3.2 碳纳米管在催化领域中的应用
• 1.3.3.3 电磁屏蔽材料
• 1.3.3.4 高容量电池及电容电极材料
• 1.3.3.5 光学器件
• 1.4 碳包覆纳米复合材料及其研究现状
• 1.4.1 碳壳层的保护作用
• 1.4.2 碳包覆磁性纳米颗粒
• 1.4.3 碳包覆纳米颗粒在医学上的应用
• 1.4.4 碳包覆纳米复合材料的发展方向
• 1.5 本论文的研究目的
• 参考文献
• 第二章 碳纳米颗粒的合成及其结构表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.3 结构与讨论
• 2.4 反应条件的影响
• 2.4.1 反应温度的影响
• 2.4.2 二茂铁催化剂的影响
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 碳纳米管及碳纳米管/聚苯乙烯复合材料合成、表征和热性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验与表征
• 3、LaCoO₃和LaFeO₃的合成'>3.2.1 催化剂LaNiO₃、LaCoO₃和LaFeO₃的合成
• 3.2.2 碳纳米管的合成
• 3.2.3 碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的合成
• 3.2.4 表征手段
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 碳纳米管的结构与表征
• 3为催化剂合成碳纳米管'>3.3.2 LaCoO₃为催化剂合成碳纳米管
• 3.3.3 LaFeO3为催化剂合成碳纳米管
• 3.3.4 碳纳米管/聚苯乙烯复合材料的热性能和热分解机理
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 碳纳米管及碳纳米管组装的微球合成、表征和性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 大直径碳纳米管的合成与表征
• 4.2.1 制备方法和表征手段
• 4.2.1.1 制备方法
• 4.2.1.2 产物的分析和表征
• 4.2.2 实验结果与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 碳纳米管和碳纳米管微球的合成及催化性能
• 4.3.1 实验与表征
• 4.3.1.1 碳纳米管的制备
• 4.3.1.2 碳纳米管微球的制备
• 4.3.1.3 催化剂的制备
• 4.3.1.4 产物的结构表征
• 4.3.1.5 催化性能的评价
• 4.3.2 实验结果与讨论
• 4.3.2.1 产物结构与物相分析
• 4.3.2.2 催化性能的研究
• 4.3.3 小结
• 参考文献
• 3O₄及Fe₃O₄@碳复合材料的控制合成、表征及磁性能研究'>第五章 Fe₃O₄及Fe₃O₄@碳复合材料的控制合成、表征及磁性能研究
• 5.1 引言
• 3O₄的合成表征及性能研究'>5.2 微八面体Fe₃O₄的合成表征及性能研究
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.1.1 药品与仪器
• 3O₄的合成'>5.2.1.2 微八面体Fe₃O₄的合成
• 5.2.1.3 样品的表征手段
• 5.2.2 产品形貌与结构分析
• 3O₄微八面体形成的影响'>5.2.3 反应条件对Fe₃O₄微八面体形成的影响
• 3O₄微八面体的磁性研究'>5.2.4 Fe₃O₄微八面体的磁性研究
• 5.2.5 小结
• 3O₄纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料'>5.3 一维链状Fe₃O₄纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 实验过程
• 5.3.3 表征方法
• 5.3.4 结果与讨论
• 3O₄纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料磁性的研究'>5.3.5 一维链状Fe₃O₄纳米颗粒@蠕虫状碳壳复合材料磁性的研究
• 5.3.6 小结
• 3O₄@碳复合材料形貌控制合成及其对应的碳空心结构'>5.4 Fe₃O₄@碳复合材料形貌控制合成及其对应的碳空心结构
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 样品的制备
• 5.4.3 表征方法
• 5.4.4 结果与讨论
• 5.4.5 小结
• 参考文献
• 附录 博士期间完成的论文
• 致谢