模板水熱碳化方法宏量制備碳納米纖維及其復(fù)合材料的研究.pdf

1、伴隨著三十年來化學(xué)合成技術(shù)的蓬勃發(fā)展，研究者采用多種物理或化學(xué)方法得到了不同組分以及尺度的納米材料。水熱碳化方法(HTC)，作為一種傳統(tǒng)的合成碳納米材料的方法，在合成碳納米材料的諸多方法中，具有較明顯的優(yōu)勢。一方面，HTC的合成過程簡潔，成本低，產(chǎn)量高，尺寸可控，組分多樣等等。另一方面，HTC方法也易于合成功能性的宏觀材料（三維塊狀材料）。
　　本論文集中研究了模板導(dǎo)向HTC方法合成宏觀三維碳納米材料氣凝膠材料，并對這種碳氣凝膠材

2、料的性能進行了討論。通過不同種一維碳質(zhì)納米纖維構(gòu)成的宏觀三維碳氣凝膠材料的合成，充分展現(xiàn)了模板導(dǎo)向HTC方法的獨特優(yōu)勢和廣泛的普適性;成功將這種模板導(dǎo)向HTC方法合成碳質(zhì)納米纖維材料與其它功能性納米材料進行復(fù)合，得到三維氣凝膠復(fù)合材料;并且，我們對這些宏觀的三維氣凝膠材料在電化學(xué)催化以及能源存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用性能進行了研究。所取得的研究成果總結(jié)如下:
　　1.在實驗室原有的超細碲納米線(TeNWs)模板導(dǎo)向HTC方法合成碳納米纖維(

3、CNFs)材料的基礎(chǔ)上，進一步深入發(fā)展了這一技術(shù)，實現(xiàn)了一步法合成氮原子摻雜的碳質(zhì)納米纖維水凝膠/氣凝膠的大規(guī)模制備。通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，這種氣凝膠材料由直徑均一的氮摻雜碳質(zhì)納米纖維構(gòu)成，并且每一根纖維之間相互交聯(lián)，形成了一個完整的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過改變HTC的合成條件，可以精確地控制氮摻雜碳質(zhì)納米纖維的直徑以及氣凝膠的密度。利用氣凝膠完整的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們引入CO2作為一種活性氣體，在高溫處理時，可以在每一根纖維上制造出去多微

4、孔并有效地提高了材料的比表面積（1324m2/g）。這樣經(jīng)過CO2活化過的氮摻雜碳質(zhì)納米纖維氣凝膠材料(N-CNFs-CO2)具有適量的雜原子摻雜和高的比表面積，因此表現(xiàn)出良好的氧氣還原反應(yīng)(ORR)電化學(xué)催化性質(zhì)并表現(xiàn)出作為優(yōu)質(zhì)超級電容器電極材料的潛在可能。
　　2.同樣利用TeNWs模板導(dǎo)向HTC方法，改變HTC過程的前驅(qū)體，利用氨基葡萄糖鹽酸鹽以及葡萄糖酸鐵作為鐵源，氮源以及碳源成功制備了鐵氮共摻雜的碳質(zhì)納米纖維氣凝膠材料，

5、在經(jīng)過兩次高溫處理以及酸刻蝕除去非電化學(xué)催化活性的金屬氧化物后，順利得到了鐵/氮共摻雜碳纖維納米材料(Fe/N-CNFs)，并將其用作一種經(jīng)濟高效的非貴金屬催化劑(ORR)用來催化燃料電池負極或金屬-空氣電池負極的ORR反應(yīng)。
　　通過這樣的合成方法，只需要將不同的金屬/非金屬源（葡萄糖酸鈷，乙酸鈷，半胱氨酸等）與碳源和氮源混合在一起，通過一步模板導(dǎo)向HTC方法就可以得到多種金屬/非金屬摻雜的碳質(zhì)納米纖維氣凝膠材料，從而大范圍擴展

6、HTC方法的實際應(yīng)用領(lǐng)域。
　　3.在上述有關(guān)模板導(dǎo)向HTC方法合成金屬/非金屬摻雜的碳質(zhì)納米纖維氣凝膠材料的工作基礎(chǔ)上，將這種三維氣凝膠材料用作一種通用的三維支架，構(gòu)筑了宏觀多功能碳納米纖維氣凝膠復(fù)合材料。通過一系列化學(xué)過程合成了一種新型的TiN/N-CNFs陶瓷/碳纖維自制成復(fù)合納米材料。它繼承了三維氣凝膠支架本身的宏觀三維結(jié)構(gòu)，多孔性以及長徑比。這種TiN/N-CNFs復(fù)合納米材料展現(xiàn)出比較好的電化學(xué)催化ORR反應(yīng)性質(zhì)，體現(xiàn)