碳纳米纤维及其复合材料的制备与特性研究

论文摘要

碳纳米纤维（CNFs）强度高、密度低、比表面积大，吸附性和导电性都很强。利用静电纺丝技术制备的CNFs不仅有上述特点，经高温碳化制备的CNFs还具有品质高、长径比高等优点，在各领域的应用前景很广阔。本文利用CNFs的高比表面积和强导电性制备CNFs复合纳米材料，是复合纳米材料的一个重要研究方向。随着工业的发展，我们生存的环境不断遭到破坏，如何便捷有效的治理污染成为科学界研究的重点方向之一。利用光催化的方法能在反应条件较宽松的环境下把各种有机污染物还原成无机物，以此为依据的光催化技术，可以直接利用太阳光并且能在室温下完成反应。半导体光催化剂价格低廉，光催化效果很好，氧化铈（CeO2）就是其中的一种，它催化效果好、无毒无害，而且可以批量生产，吸引了众多科研者的眼球。本文利用静电纺丝法制备聚丙烯腈（PAN）纳米纤维原丝，经过预氧化和高温碳化过程得到一维碳纳米纤维。使用浓硝酸对CNFs的表面进行活化处理，使纤维表面含有羧基、羟基等官能团，为CNFs基复合纳米材料的制备提供丰富的生长位点。将经活化的CNFs作为模板材料，用水热法将纳米CeO2成功的与CNFs复合，制成CNFs / CeO2复合材料。论文系统地研究了材料制备过程的各种因素对材料的微观结构、形貌、尺寸的影响，并对其光催化性能进行了研究。结果表明，水热合成过程的前驱体溶液浓度对复合材料体系中CeO2的负载量、尺寸、分散程度等有重要影响；复合纳米材料在紫外光的照射下降解罗丹明B溶液时显示了很好的光催化活性。由于两者的复合，避免了纳米CeO2微粒的聚集，增大了光催化剂与反应物的接触面积，有效提高了CeO2的光催化活性；CNFs及时将光生电子导走，延长了光生电子-空穴对的复合时间，极大的提高了光催化效率。这一类新型复合材料也为复合材料在光催化领域的应用提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.1.1 纳米材料的发展
• 1.1.2 纳米复合材料简述
• 1.1.3 纳米材料前景展望
• 1.2 碳纤维材料简述
• 1.2.1 碳纤维的发展
• 1.2.2 碳纤维的分类、结构和性质
• 1.2.3 碳纳米纤维的制备
• 1.2.4 碳纳米纤维复合材料概况
• 1.3 静电纺丝技术
• 1.3.1 静电纺丝技术的发展
• 1.3.2 静电纺丝技术的原理
• 1.3.3 影响静电纺丝的因素
• 1.3.4 静电纺丝法制备碳纳米纤维
• 1.4 水热法简述
• 1.5 光催化原理简述
• 1.6 本文立题思想
• 第二章：碳纳米纤维的制备与表征
• 2.1 前言
• 2.2 实验仪器与试剂
• 2.2.1 主要测量仪器
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 其他工具
• 2.3 碳纳米纤维的制备
• 2.3.1 PAN 原丝的制备
• 2.3.2 碳纳米纤维的制备及活化处理
• 2.4 碳纳米纤维的表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）照片
• 2.4.2 X XRD
• 2.4.3 红外光谱（FT-IR）
• 2.4.4 拉曼光谱（RAMAN）
• 2.5 小结
• 第三章：碳纳米纤维/氧化铈复合材料的制备、表征及其光催化性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验仪器与试剂
• 3.2.1 主要测量仪器
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 其他工具
• 3.3 水热法制备碳纳米纤维/氧化铈复合材料
• 3.4 碳纳米纤维/氧化铈复合材料的表征
• 3.4.1 扫描电子显微镜（SEM）照片
• 3.4.2 热重分析（TGA）
• 3.4.3 透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜（TEM/HRTEM）
• 3.4.4 X 射线衍射（XRD）
• 3.4.5 X 射线光电子能谱（XPS）
• 3.4.6 红外光谱（FT-IR）
• 3.4.7 拉曼光谱（RAMAN）
• 3.5 碳纳米纤维/氧化铈复合材料光催化特性研究
• 3.5.1 光催化特性测试
• 3.5.2 光降解结果分析
• 3.6 碳纳米纤维与其他无机氧化物的复合材料制备
• 3.6.1 水热法制备碳纳米纤维/氧化锡复合材料
• 3.6.1.1 主要测量仪器
• 3.6.1.2 实验试剂
• 3.6.1.3 其他工具
• 3.6.1.4 碳纳米纤维/氧化锡复合材料的制备
• 3.6.2 碳纳米纤维/氧化锡复合材料的表征
• 3.6.2.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.6.2.2 X 射线衍射（XRD）
• 3.7 小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢