功能化碳納米纖維材料的宏量制備及其性能研究.pdf

1、碳基納米材料由于獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在過(guò)去的三十年間，一系列不同維度的碳納米材料，如零維的富勒烯、一維的碳納米管，二維的石墨烯及三維的碳納米氣凝膠，被發(fā)現(xiàn)并改變了整個(gè)材料科學(xué)界的發(fā)展格局。特別的是，各種功能化的碳納米材料在許多領(lǐng)域，如:能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)療科技、微電子、傳感器等，展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用前景。盡管研究人員在碳納米材料的制備和應(yīng)用方面取得了許多重要的進(jìn)展，然而如何通過(guò)理性的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)碳

2、納米材料的功能化，以及如何實(shí)現(xiàn)功能碳納米材料的廉價(jià)宏量制備，仍然是目前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
　　本論文將著重探討碳納米纖維材料的功能化修飾、宏量制備及其性能研究。以本實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的碳質(zhì)納米纖維為基本結(jié)構(gòu)基元，通過(guò)理性的設(shè)計(jì)成功制備了幾種結(jié)構(gòu)特殊、成分多元的高性能一維碳納米纖維電催化劑。繼而，采用化學(xué)法合成的碳質(zhì)納米纖維水凝膠和工業(yè)化生產(chǎn)的廉價(jià)細(xì)菌纖維素為原料，實(shí)現(xiàn)了兩類三維碳納米纖維氣凝膠材料的廉價(jià)宏量制備。進(jìn)一步，以廉價(jià)細(xì)菌纖

3、維素的三維骨架為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)碳納米氣凝膠的多功能化和宏量制備。并深入研究這些功能化碳納米纖維材料在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、環(huán)境保護(hù)、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.設(shè)計(jì)并發(fā)展了具有多元活性位點(diǎn)的介孔碳納米纖維電催化劑的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳質(zhì)納米纖維的功能化。利用本實(shí)驗(yàn)制備的碳質(zhì)納米纖維為原材料，采取包覆聚吡咯，負(fù)載不同金屬前驅(qū)物和高溫?zé)崽幚淼氖侄纬晒Φ暮铣闪颂蓟F顆粒鑲嵌的介孔鐵、氮共摻雜碳納米纖維(Fe-N-CNFs)

4、和部分氧化的鎳顆粒負(fù)載的鎳、氮共摻雜碳納米纖維（PO-Ni/Ni-N-CNFs）。仔細(xì)探討了合成過(guò)程中的退火溫度、包覆聚吡咯的量及后處理的過(guò)程（如酸刻蝕，空氣中退火）對(duì)電催化劑結(jié)構(gòu)和活性的影響，實(shí)現(xiàn)了碳納米纖維電催化性能的功能化。并分別深入研究了Fe-N-CNFs，PO-Ni/Ni-N-CNFs這兩種一維碳基電催化劑在氧還原(ORR)和全水分解方面的應(yīng)用，并闡明了催化劑的構(gòu)效關(guān)系。
　　2.發(fā)展了廉價(jià)宏量制備碳納米纖維氣凝膠的新方

5、法。采用化學(xué)法宏量合成的碳質(zhì)納米纖維水凝膠為原材料，通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凍干燥和高溫?zé)峤?，獲得了低密度(10 mg cm-3)、高孔隙率、疏水親油的碳納米纖維氣凝膠。進(jìn)一步，受上述化學(xué)合成法的啟示，我們以工業(yè)化生物發(fā)酵制備的廉價(jià)環(huán)保的細(xì)菌纖維素為原料，采用類似的方法成功制備了超輕(4-6 mg cm-3)、柔性、耐火的碳納米纖維氣凝膠。相比傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法，本文中發(fā)展的兩種碳納米纖維氣凝膠的制備方法十分簡(jiǎn)單、廉價(jià)、易規(guī)?；＿@兩種宏量制備的

6、碳納米纖維氣凝膠在油污吸附、壓力傳感等方面顯示出了很好的應(yīng)用前景。
　　3.基于生物質(zhì)細(xì)菌纖維素，發(fā)展了兩種簡(jiǎn)單高效制備高性能摻雜碳納米纖維氣凝膠材料的方法。采用吸附了有害染料的細(xì)菌纖維素為前驅(qū)物制備了一系列摻雜的碳納米纖維氣凝膠，這種方法非常普適且環(huán)境友好。最重要的是，這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)“變害為寶”的過(guò)程。并探索了這類摻雜碳納米纖維(N，S-CNFs)氣凝膠在ORR及超級(jí)電容器領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用?？紤]到該種方法制備的摻雜碳納米纖維氣

7、凝膠的比表面較低，會(huì)影響它的性能。進(jìn)一步，通過(guò)簡(jiǎn)單的氨氣活化摻氮法制備出了高比表面積（高達(dá)916 m2 g-1）的氮摻雜碳納米纖維氣凝膠。由于這種氮摻雜納米纖維氣凝膠具有豐富的氮活性位點(diǎn)和高的比表面，其顯示出可媲美目前最優(yōu)鉑碳催化劑的ORR電催化性能。鋅-空氣電池實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種高比表面氮摻雜碳納米纖維氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　4.發(fā)展了一種廉價(jià)高效制備高性能三維碳基析氫電催化劑的技術(shù)。以三維納米結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料（細(xì)菌纖維素）作為