碳纳米管复合材料的制备、表征与应用

论文摘要

由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应,使其在化学催化领域中呈现出十分优异的性能。纳米粒子作为催化剂具有表面凸凹不平、比表面积大、表面能高、晶内扩散通道短、表面催化活性位多等优点。这些优点使得纳米材料在化学催化领域中显示出十分诱人的研究开发和应用前景。 纳米尺度催化剂粒子的粒径非常小,表面原子所占的比例很高,表面原子的配位不饱和度也相应很高,这使得纳米催化剂粒子在合成和使用过程中很容易发生团聚和烧结现象,催化剂的活性和选择性也会因此而大幅度地降低。将纳米催化剂粒子担载到载体上有助于解决这一问题。载体的结构和性质是影响催化剂活性和用量的关键性因素之一,本论文围绕催化剂载体材料的改性和研究新型催化剂载体材料这一主题,尝试将碳纳米管复合材料应用于化学催化领域,其中重点开展了两方面的研究工作: ⅰ、根据碳纳米管在回流过程中能溶于苯胺的性质,采用与苯胺电聚合相同的方法,制备了多壁碳纳米管/聚苯胺复合材料,并将这种复合材料用做甲醇电催化氧化的催化剂载体。 ⅱ、碳纳米管具有中空结构和大的比表面积,同时也具有良好的导电能力和机械性能,非常适合作为催化剂的载体材料。以碳纳米管为载体,担载贵金属纳米催化剂粒子,是近年来化学催化领域中研究的一个热点问题。由于碳纳米管的表面呈现惰性,很难直接可控地将贵金属纳米颗粒担载到碳纳米管的表面。为了解决这一问题,我们对碳纳米管的表面进行了化学修饰,使多壁碳纳米管的表面生成了一层尾基为巯基的单层分子膜,为担载贵金属纳米颗粒提供了有效的技术途径。 本论文的主要研究内容: 1) 将多壁碳纳米管在回流过程中分散到苯胺中,紫外吸收光谱研究结果表明,碳纳米管与苯胺之间发生了电荷转移反应。根据热重实验结果,多壁碳纳米管在苯胺中分散的质量百分数可达1.3wt%。 2)、采用电聚合的方法,合成了聚苯胺/碳纳米管复合材料。由于碳纳米管的掺入,聚苯胺的结构发生了很大的变化。SEM观察结果表明,聚苯

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管复合材料的研究进展
• 1.1.1 金属／碳纳米管纳米复合材料的研究进展
• 1.1.2 聚合物／碳纳米管纳米复合材料的研究展望
• 1.2 碳纳米管复合材料在化学催化领域中的应用
• 1.2.1 纳米催化技术研究进展
• 1.2.2 碳纳米管在化学催化领域中的应用
• 1.3 碳纳米管复合材料在直接甲醇燃料电池中的应用
• 1.3.1 开发直接甲醇燃料电池需要解决的关键问题
• 1.3.2 碳纳米管复合材料在直接甲醇燃料电池中的应用
• 1.4 本论文的选题思路与研究目的
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管／聚苯胺复合材料的制备与表征
• 2.1 导电高聚物
• 2.2 聚苯胺
• 2.2.1 聚苯胺的合成
• 2.2.2 聚苯胺的结构
• 2.2.3 聚苯胺修饰电极在甲醇、甲酸电催化氧化反应中的应用
• 2.3 碳纳米管在苯胺中的分散性
• 2.3.1 多壁碳纳米管在苯胺中的溶解实验
• 2.3.2 多壁碳纳米管在苯胺中的溶解度
• 2.3.3 碳纳米管／苯胺溶液的UV-vis吸收光谱
• 2.3 多壁碳纳米管／聚苯胺复合材料的制备与表征
• 2.3.1 多壁碳纳米管／聚苯胺复合材料的制备
• 2.3.2 多壁碳纳米管／聚苯胺复合材料的导电性
• 2.3.3 电聚合生成的聚苯胺和聚苯胺多壁碳纳米管复合膜的厚度确定
• 2.3.4 多壁碳纳米管／聚苯胺复合膜的XRD表征
• 2.3.5 聚苯胺多壁碳纳米管复合材料的SEM表征
• 2.3.6 聚苯胺多壁碳纳米管复合材料的红外光谱表征
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 甲醇、甲酸在CNT／PANI／Pt纳米颗粒修饰电极上的电催化氧化
• 3.1 铂纳米颗粒在聚苯胺／多壁碳纳米管修饰电极上的恒电位沉积
• 3.2 甲醇在Pt纳米颗粒／聚苯胺／碳纳米管修饰电极上的电氧化活性与机理
• 3.2.1 甲醇在Pt纳米颗粒／聚苯胺／碳纳米管修饰电极上的电催化氧化
• 3.2.2 甲醇电催化氧化的机理
• 3.3 甲酸在Pt纳米颗粒／聚苯胺／碳纳米管修饰电极上的电催化氧化
• 3.3.1 甲酸在Pt纳米颗粒／聚苯胺／碳纳米管修饰电极上的电催化氧化
• 3.3.2 甲酸电催化氧化的机理
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 碳纳米管／贵金属纳米颗粒复合材料的制备与表征
• 4.1 碳纳米管的化学修饰
• 4.2 分子自组装单层膜
• 4.2.1 脂肪酸在金属氧化物表面的自组膜
• 4.2.2 有机硅烷在羧基化表面的自组膜
• 4.2.3 有机硫化物在金属表面、半导体表面上的自组装膜
• 4.2.3.1 有机硫化物在金表面自组装的基本原理
• 4.2.3.2 有机硫化物在金表面自组装单层膜的制备
• 4.2.3.3 硫醇自组膜的稳定性
• 4.2.4 碳电极上有序单层膜
• 4.2.4.1 重氮盐还原法
• 4.2.4.2 氨基氧化法
• 4.2.4.3 苯乙酸氧化法
• 4.2.4.4 无机物、金属纳米粒子单层膜
• 4.3 金纳米颗粒的催化性质
• 4.4 对氨基硫酚修饰多壁碳纳米管
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.2 对氨基硫酚修饰多壁碳纳米管的红外光谱表征
• 4.4.3 对氨基硫酚修饰多壁碳纳米管的XPS表征
• 4.4.4 对氨基硫酚修饰多壁碳纳米管的EDS表征
• 4.4.5 对氨基硫酚修饰多壁碳纳米管的Raman表征
• 4.5 金纳米颗粒在碳纳米管表面上的自组装
• 4.5.1 金纳米颗粒在多壁碳纳米管表面上自组装的TEM表征
• 4.5.2 金纳米颗粒在多壁碳纳米管表面上自组装的XRD表征
• 4.5.3 金纳米颗粒在单壁碳纳米管表面上自组装的TEM表征
• 4.6 碳纳米管修饰电极在甲醇电催化氧化中应用的初步研究
• 4.6.1 实验步骤
• 4.6.2 结果与讨论
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 致谢
• 作者简历
• 作者简历及研究成果