纳米碳纤维的固相合成

论文摘要

纳米碳纤维（CNFs）具有独特的形态结构和物理化学性质,在涉及纳米制造、电子材料和器件、生物医学、化学、物理、复合材料、储能材料等众多领域显示广泛的应用前景。本论文中采用固相合成的方法,分别以硝酸镍和氯化铁为催化剂前驱体,以膨胀石墨、人造石墨、炭黑和中间相沥青炭微球等四种固态炭材料为碳原料,经1500℃C的高温碳化合成出纳米碳纤维。采用SEM, TEM, XRD, HRTEM等分析方法对合成的纳米碳纤维进行了表征,初步探讨了纳米碳纤维的形成机理。以硝酸镍和氯化铁为催化剂前驱体时,产物都是规则生长的实心纤维,前者直径50-200nm,长度2um-30um;后者直径30nm左右,长度2um-40um。HRTEM及TEM分析表明,本工作制备的纳米碳纤维结晶度好、石墨化程度高。由于不同种类、不同粒径的碳源的反应活性不同,预处理方式及其程度、催化剂前驱体添加量、催化剂与碳源复合方式、碳化温度、保温时间等多种因素影响了纳米碳纤维的制备,经过一系列实验,本论文给出纳米碳纤维的最佳制备工艺条件：以人造石墨为原料,以硫酸／硝酸体积比3：1配制的混酸为预处理液,处理时间为100小时,按碳原子与铁原子质量比1：1添加氯化铁采用研磨法混合,1500℃C碳化1个小时工艺,可制备出优质炭纤维,碳源转化率达70%。利用XRD分析使用硝酸镍和氯化铁等金属盐为催化剂前驱体时纳米碳纤维的生长机理。纳米碳纤维的生长过程可能是：系统先消耗碳将金属还原；之后,碳原子利用本身体积比较小的优势和与金属的良好结合能力,进入金属晶格形成共融体；随温度继续升高,碳在镍晶粒中进行体相扩散；最后,在降温过程中,碳通过Ni（111）和Fe（200）（211）晶面析出,生长成纳米碳纤维。采用SEM,观察到纳米碳纤维在催化剂粒子上以底端、顶端生长模式生长。这符合Baker提出的经典模式。另外,还观察到纳米碳纤维的球形基体和块基体生长模式。这是由于固态炭材料由于酸处理过程中的搅拌和酸的刻蚀氧化作用,原结构被严重破坏,或被刻蚀为大小不一的碳块或重新团聚为球状碳,新生长的纳米碳纤维依附在此基体上生长造成的。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米碳纤维的结构、性能及应用
• 1.1.1 纳米碳纤维的结构
• 1.1.2 纳米碳纤维的性质及应用
• 1.2 纳米碳管和纳米碳纤维的制备方法
• 1.2.1 纳米碳管的制备方法
• 1.2.1.1 电弧放电法
• 1.2.1.2 激光蒸发法
• 1.2.1.3 化学气相沉积法
• 1.2.1.4 爆炸法
• 1.2.1.5 石墨片层卷曲法
• 1.2.1.6 固相合成法
• 1.2.1.7 球磨法
• 1.2.2 纳米碳纤维的制备方法
• 1.2.2.1 电弧法
• 1.2.2.2 化学气相沉积法
• 1.2.2.3 火焰法
• 1.2.2.4 静电纺丝法
• 1.3 纳米碳纤维的生长机理研究概况及其进展
• 1.3.1 纳米碳纤维生长中催化剂的状态
• 1.3.2 催化剂粒子中间体-成核阶段
• 1.3.3 纳米碳纤维的在金属粒子表面的生长面
• 1.4 本课题的提出及论文创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 原理及技术立论
• 2.2 实验原料及主要仪器设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 主要仪器
• 2.3 实验内容
• 2.3.1 本实验研究方案
• 2.3.2 自制膨胀石墨
• 2.3.3 碳源预处理
• 2.3.4 预处理产物与催化剂前驱体复合
• 2.3.5 炭化
• 2.3.6 后处理
• 2.4 不同工艺参数制备纳米碳纤维
• 2.4.1 不同碳源制备纳米碳纤维
• 2.4.2 不同预处理方式制备纳米碳纤维
• 2.4.3 不同催化剂前驱体的类型及配比制备纳米碳纤维
• 2.4.4 不同催化剂前驱体的添加方式制备纳米碳纤维
• 2.4.5 不同炭化条件制备纳米碳纤维
• 2.5 表征手段
• 2.5.1 透射电子显微镜（TEM）
• 2.5.2 高分辨显微镜（HRTEM）
• 2.5.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.4 X射线衍射仪（X-Ray Diffractometer）
• 第三章 纳米碳纤维的制备工艺条件研究
• 3.1 不同原料制备纳米碳纤维
• 3.1.1 不同碳源
• 3.1.2 不同体积膨胀倍率的膨胀石墨
• 3.2 不同催化剂前驱体的类型及配比制备纳米碳纤维
• 3.2.1 不同催化剂前驱体类型
• 3.2.2 镍催化剂前驱体的不同添加量
• 3.2.3 铁催化剂前驱体的不同添加量
• 3.3 预处理方式
• 3.3.1 不同预处理方式
• 3.3.2 不同混酸处理时间
• 3.4 催化剂前驱体的添加方式
• 3.5 炭化条件
• 3.5.1 炭化温度
• 3.5.2 保温时间
• 3.6 后处理
• 3.7 本章小结
• 第四章 纳米碳纤维的形态结构及其生长机理的探讨
• 4.1 SEM表征纳米碳纤维的生长模式
• 4.1.1 顶端生长及底端生长
• 4.1.2 球形基体生长及块基体生长
• 4.1.2.1 球形基体生长
• 4.1.2.2 块基体生长
• 4.1.3 小结
• 4.2 TEM、HRTEM表征
• 4.2.1 TEM表征
• 4.2.2 HRTEM表征
• 4.2.3 小结
• 4.3 XRD分析
• 4.3.1 镍为催化剂时产物的XRD分析
• 4.3.2 铁为催化剂时产物的XRD分析
• 4.3.3 铁为催化剂,不同碳化温度下产物的XRD分析
• 4.3.5 小结
• 4.4 后处理产物的XRD分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件