新颖碳基纳米材料的合成与性能研究

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1、南京大学博士论文南京大学物理系固体微结构物理国家重点实验室新颖碳基纳米材料的合成与性能研究Thesynthesisandpropertiesofnovelcarbon．basednanomaterials博士生：祁小四指导教师：钟伟教授二零一一年五月新颖碳基纳米材料的合成与性能研究毕业论文题目：堑塑璧叁绫鲞盐盐丝金盛鱼：陛丝堑塞墼蓥查堑垄专业2QQ墨级博士生姓名：塑：』：旦指导教师(姓名、职称)：盈堡耋送摘要自Kroto和Iijima发现并制备碳纳米管以来，碳纳米管因其独特的物理、化学性质以及广阔的应用前景而引起全世界众多科学

2、家的强烈关注。作为碳材料的一种同素异形体，碳纳米管的径向尺寸为纳米量级，其轴向尺寸为微米量级，主要是由呈六边形排列的碳原子构成一层到几十层甚至更多层的同轴圆管组成。一经发现，便在各个领域掀起了碳纳米材料以及碳纳米复合材料的研究热潮。其重要的研究领域包括：碳纳米材料的制备、性能及其应用。目前最常用的碳纳米材料的制备方法主要有三种：电弧放电法、激光蒸发法和催化化学气相沉积法。而大量的研究结果表明催化化学气相沉积法可大规模地合成碳纳米材料，有效地减低了碳纳米材料的生产成本，这为碳纳米材料的广泛应用提供了坚实的基础。此外，由于碳纳米管

3、具有高表面积和中空的管道结构等特点，使得其在复合材料领域亦有着非常诱人的利用前景。例如碳纳米材料包裹金属及金属氧化物纳米颗粒可以作为一种新型的纳米复合材料，作为壳层的纳米碳材料由于其自身独特的物理和化学性质在有效地保护其核层的同时，亦很好地优化了核心材料自身的性能，使得所形成的复合材料在磁记录、微波吸收、催化剂以及超级电容器等领域都有着非常大的应用前景，因此碳纳米复合材料一直成为近几年研究的热点。其次，Dunlaph和Ihara等人通过理论计算和分子模拟等手段首次证实了若在碳纳米管的碳六环结构中引入碳五、七环将导致管状结构出现

4、弯曲环绕，形成螺旋状碳纳材料。螺旋碳纳米材料不仅具备众多碳纳米材料本征的优异物理和化学性能而且还具有其自身螺旋结构所带来的优势，具有良好的能量吸收能力。且其螺旋度对碳纳米材料的电子输运特性具有决定性的作用，不同螺旋度的碳纳米材料可以分别表现出金属或者半导体的特性。螺旋碳材料由于其特殊的螺旋状结构亦被看做是一种手性碳材料，在高性能增强复合材料、气体储藏、生物合成催化剂、微型电感、微弹簧等微机械元件领域有着广阔的应用前景。螺旋碳纳米材料是目前认为最有望同时满足新一代吸波材料的各项要求，成为真正的轻质、高频、强吸收、强耐侯的新型电磁

5、波吸收材料。尽管在其理论和实验研究领域上都取到了很大的进步，但在实际生产中，高选择性的螺旋碳纳米材料却一直很难被大量合成。化学气相沉积法因其设备简单、反应温度低、操作简单、反应过程易控等优点而成为目前最常用的碳纳米材料的制备方法。此方法主要过程是利用碳氢化合物作为碳源，以过渡金属如Fe，Co，Ni等或其合金为催化剂，在一定温度下，通过催化裂解过程而达到合成碳纳米材料的目的。而要得到单一的碳纳米材料，须经过多重的复杂净化过程以达到除去催化剂的目的，这一过程往往会对碳纳米材料带来很大的损害，也势必会大大提高其合成成本。因而寻找一种

6、水溶性的催化剂材料以替代传统的金属催化剂一直是近几年研究的重点。针对以上存在的重大问题，我们在这些方面做了大量的研究。本文在碳纳米材料的研究和工作主要包括以下几个方面：新颖碳基纳米材料的合成与性能研究(一)碳纳米材料的合成、性能及其形成机制的研究(i)利用溶胶凝胶法合成NiO纳米颗粒作为催化剂前驱体，以难分解的苯作为碳源，在较低温度-F(350．500oC)，利用催化化学气相沉积的方法高产、高选择性地可控合成了碳纳米棒和碳纳米管。通过合理地选择催化剂及其制备方法，并对液态苯在特定的温度下采取适当的热处理，使得我们成功地在较低温

7、度条件下就能够实现高产、高选择性的碳纳米棒和碳纳米管的可控生长。结合之前的相关报道和本实验观察的现象和结果，定性地给出了碳纳米棒和碳纳米管的形成机制。(ii)通过在传统催化剂纳米材料中引入适当的添加剂以便更加有效地提高单一催化剂材料的催化效果，从而更加有效地实现高产率碳纳米材料的合成。首先，我们通过溶胶凝胶和氢气还原的方法制备了Fe／Sn02催化剂材料，通过在适当温度下催化裂解乙炔，成功地实现了极高产率的碳纳米纤维的合成。通过有效地控制乙炔的分解温度，可以实现极高产率的碳纳米纤维、竹节状碳纳米管以及链状碳纳米球的可控生长。本文

8、还比较系统地研究和探讨了所合成碳纳米材料的微波吸收性能和形成机制。(iii)沿着上面的研究思路和想法，利用溶胶凝胶和氢气还原的方法制备了Fe-Cu纳米颗粒作为催化剂材料，通过在适当的温度下催化裂解乙炔，合成了两种可极易分离的高产率的碳纳米材料(颜色和位置不同)：高选择性的碳／