碳管负载纳米颗粒及碳管/高分子复合材料的表征及应用

论文摘要

碳纳米管具有许多独特的性能,已成为当前的研究热点之一,以碳纳米管为基的复合材料在许多方面有着广阔的应用前景。本文通过简单的制备和处理方法合成了多种具有特殊结构和功能的碳纳米管负载纳米颗粒以及碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料。采用了多种现代分析手段,如透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线能量分散谱仪（EDS）、选区电子衍射（SAED）、高分辨电镜（HREM）、能量过滤透射电镜（EFTEM）、高角环形暗场象（HAADF）等对各类产物的微结构进行了表征。同时也探索了它们在催化、电磁学以及摩擦学方面的应用。采用无电沉积法和浸渍法合成了碳纳米管负载的Ni-Co、Sn-Pd双金属及其氧化物的纳米颗粒,经过一定的退火处理可以得到具有特殊核-壳结构的纳米颗粒。通过对其微观结构的表征,探讨了不同核-壳颗粒的形成机理,为这类特殊结构的纳米颗粒的可控制备及进一步应用提供了有益的经验。制备了碳纳米管负载的Ni基纳米颗粒,采用该复合材料作为加氢及脱氢催化剂。探索了碳管负载的Ni基纳米颗粒与甲苯等有机液体组成的氢浆的储氢结果,并研究了不同制备条件对储氢性能的影响。同时将该复合材料应用于环已烷脱氢催化反应,证明其脱氢效率大于常规的雷尼镍催化剂,目前未见报道。该结果为碳管负载纳米颗粒在新型能源领域的应用开辟了新途径。制备了碳纳米管负载的Fe基纳米颗粒,采用不同的退火方式改变了纳米颗粒的结构和形态。研究了碳管负载的Fe基氧化物和碳化物纳米颗粒的微观结构和磁性能,结果表明通过不同的退火方式可以控制Fe氧化物及碳化物颗粒的合成,并改变其磁性能。采用简单的物理共混方式制备了碳纳米管-高密度聚乙烯复合材料,对碳管在高分子基体中的分布情况进行了表征,并研究了该复合材料的导电性能和摩擦磨损性能。结果表明以碳管作为高密度聚乙烯材料的导电添加剂具有比碳黑低得多的渗流阈值,同时该复合材料的导电性能具有与常规导电填料不同的温度依赖性,这与碳管的特殊结构和性能有关。碳管的添加也提高了复合材料的耐磨减摩性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 碳纳米管
• 1.1.1 碳纳米管的结构与特征
• 1.1.2 碳纳米管的制备
• 1.1.2.1 电弧放电法
• 1.1.2.2 激光蒸发法
• 1.1.2.3 化学气相沉积法
• 1.1.3 碳纳米管负载纳米颗粒
• 1.1.3.1 碳纳米管的内部填充
• 1.1.3.2 碳纳米管的外部颗粒负载
• 1.1.4 碳纳米管的应用
• 1.1.4.1 复合材料
• 1.1.4.2 催化剂载体
• 1.1.4.3 场发射平板显示器
• 1.1.4.4 碳纳米管场效应晶体管
• 1.1.4.5 超级电容器电极材料
• 1.2 微观结构表征
• 1.2.1 扫描电镜
• 1.2.1.1 扫描电镜结构
• 1.2.1.2 扫描电镜成像衬度特点
• 1.2.1.3 SEM的主要特点
• 1.2.2 透射电镜
• 1.2.2.1 透射电镜的结构
• 1.2.2.2 透射电镜像的衬度
• 1.2.3 其它电镜
• 1.2.3.1 高分辨电子显微镜
• 1.2.3.2 场发射枪扫描透射电子显微镜
• 1.2.3.3 能量过滤电子显微镜
• 1.2.4 能谱仪
• 1.2.5 X射线衍射
• 2 无电沉积法制备碳管负载Ni-Co核—壳纳米颗粒
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 碳纳米管/纳米核—壳颗粒制备
• 2.2.1.1 碳纳米管制备
• 2.2.1.2 Ni-Co核—壳颗粒的无电沉积法制备
• 2.2.1.3 退火处理:
• 2.2.1.4 结构表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 碳纳米管的结构与形态
• 2.3.2 未退火碳纳米管负载Ni-Co纳米颗粒
• 2.3.3 空气退火后的碳管负载Ni-Co纳米颗粒
• 2.3.4 氢气还原后碳管负载负载Ni-Co纳米颗粒
• 2.3.4.1 形貌
• 2.3.4.2 XRD分析
• 2.3.4.3 SAED分析
• 2.3.4.4 EDS分析
• 2.3.4.5 HREM分析
• 2.3.4.6 Moiré fringe
• 2.3.4.7 EFTEM分析
• 2.3.4.8 HAADF
• 2.4 本章小结
• 3 浸渍法制备碳管负载Sn-Pd核—壳纳米颗粒
• 3.1 浸渍法
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 Sn-Pd核—壳颗粒浸渍法制备
• 3.2.2 Ni-Co核—壳颗粒的浸渍法制备
• 3.2.3 结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Sn-Pd颗粒
• 3.3.1.1 氢气退火后样品形貌及成分
• 3.3.1.2 氢气退火后Sn-Pd的STEM分析
• 3.3.1.3 氢气退火后Sn-Pd的XRD
• 3.3.1.4 氢气退火后Sn-Pd的HREM
• 3.3.1.5 氢气退火后Sn-Pd颗粒在电子束辐射下的变化
• 3.3.1.6 空气退火后Sn-Pd的样品形貌及结构分析
• 3.3.2 Ni-Co颗粒
• 3.3.2.1 氢气退火后Ni-Co的样品形貌及结构
• 3.3.2.2 空气退火后Ni-Co的形貌及结构
• 3.3.2.3 EDS
• 3.3.2.4 浸渍法与无电沉积法制备的Ni-Co纳米颗粒形貌差别
• 3.4 本章小结
• 4 无电沉积法制备碳管负载Ni纳米颗粒及其催化性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 碳纳米管的制备
• 4.2.2 碳纳米管的预处理与无电沉积镍
• 4.2.3 碳管/Ni纳米颗粒的结构表征
• 4.2.4 碳纳米管/Ni纳米颗粒的催化加氢实验
• 4.2.5 碳纳米管/Ni纳米颗粒的催化脱氢实验
• 4.3 结果与讨论:
• 4.3.1 碳纳米管的微结构表征
• 4.3.2 碳管/镍纳米颗粒的结构表征
• 4.3.3 碳纳米管/Ni纳米颗粒的催化加氢性能
• 4.3.3.1 甲苯吸氢速率
• 4.3.3.2 加氢反应前后碳管/Ni纳米颗粒的形貌变化
• 4.3.4 碳管/Ni纳米颗粒的催化脱氢性能
• 4.3.4.1 环己烷脱氢速率
• 4.3.4.2 脱氢转化率
• 4.3.4.3 脱氢反应前后碳管/Ni纳米颗粒的形貌及结构变化
• 4.4 本章小结
• 5 浸渍法制备的CNTs/Fe基纳米颗粒的结构和磁性能
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 碳纳米管/Fe纳米颗粒的微结构分析
• 5.3.2 不同退火气氛对碳纳米管/Fe纳米颗粒的影响
• 5.3.2.1 氮气退火后样品的表征
• 5.3.2.2 氢气退火后样品的表征
• 5.3.2.3 乙炔退火后样品的表征
• 5.3.3 磁性能测试结果和分析
• 5.4 本章小结
• 6 碳纳米管—高密度聚乙烯复合材料
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 复合材料制备
• 6.2.2 结构表征
• 6.2.3 导电性能测试
• 6.2.4 摩擦磨损实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 微观结构
• 6.3.2 导电性能
• 6.3.3 导电性与温度的关系
• 6.3.4 摩擦磨损性能及表面微结构
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 博士期间完成的工作