碳納米洋蔥與碳納米管的可控合成及其儲(chǔ)能應(yīng)用研究.pdf

1、碳納米洋蔥與碳納米管的可控合成碳納米洋蔥與碳納米管的可控合成及其及其儲(chǔ)能應(yīng)用研究應(yīng)用研究Controllabesynthesisofcarbonnanoonionscarbonnanotubestheirenergystagestudy一級(jí)學(xué)科：材料科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)：材料學(xué)研究生：張晨光指導(dǎo)教師：李家俊教授JamesM.Tour教授天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一三年六月摘要碳納米洋蔥、碳納米管與石墨烯是石墨的三種納米級(jí)尺寸的同素異形

2、體，分別為零維顆粒、一維線性和二維薄膜結(jié)構(gòu)。它們都具有優(yōu)良的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，高的比表面積及良好的力學(xué)性能，因此在電子器件、復(fù)合材料、儲(chǔ)能介質(zhì)與生物材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，碳納米材料的生長與應(yīng)用領(lǐng)域仍有很多有待解決的問題，包括碳納米材料的可控生長，新型碳納米材料結(jié)構(gòu)的合成，碳納米材料的在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。本文首次采用NaBH4還原法制備FeNi合金催化劑，并以氧化鎂為載體，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)催化合成了碳納米洋蔥(CNO

3、s)，研究了催化劑含量、載體種類、生長溫度與時(shí)間等工藝條件對(duì)CNOs結(jié)構(gòu)與形貌的影響，考查了高溫退火溫度對(duì)空心CNOs生成的影響，并對(duì)空心CNOs合成工藝和生長機(jī)理進(jìn)行了探索，研究了CNOs的電化學(xué)儲(chǔ)氫性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以MgO為載體，催化劑含量為10%，生長溫度與時(shí)間分別為850C和0.5h時(shí)，可獲得分散良好且尺寸均勻的CNOs。由于FeNi合金催化劑中對(duì)碳原子溶解度較小的Ni原子的存在，會(huì)推遲催化劑的失活，生成空心CNOs。在110

4、0C的高溫退火條件下，包覆FeNi合金的實(shí)心CNOs可生成大量的空心CNOs?？招腃NOs的電化學(xué)儲(chǔ)氫性能優(yōu)于實(shí)心CNOs，其電化學(xué)儲(chǔ)氫量達(dá)1.76%。本文還對(duì)比研究了浸漬法制備的Ni、FeNi與Fe三種催化劑對(duì)合成CNOs的結(jié)構(gòu)與形貌的影響，并研究了CNOs作為潤滑油添加劑的減摩性能，同時(shí)初步研究了它們的磁存儲(chǔ)性能。結(jié)果表明，5%的催化劑含量下，三種催化劑合成的產(chǎn)物為內(nèi)包核的碳洋蔥納米顆粒，分別為Ni@CNOs、Fe0.64Ni0.3

5、6@CNOs與Fe3C@CNOs，產(chǎn)物的純度高，無其他形式的碳產(chǎn)物。CNOs作為潤滑劑在潤滑油中的最佳添加量為0.1%，F(xiàn)e3C@CNOs在500N的載荷下摩擦系數(shù)μ可達(dá)到0.026。磁學(xué)性能測試顯示Ni@CNOs呈超順磁性；Fe0.64Ni0.36@CNOs的MrMs約為0.22，矯頑力Hc為228.4Oe，顯示了其在高密度磁存儲(chǔ)材料與存儲(chǔ)介質(zhì)包覆材料中的應(yīng)用前景。本文首次利用單分散的顆粒平均直徑為~4nm的AlFe2O4催化劑，采用

6、CVD法合成了大直徑單壁碳納米管(SWCNT)陣列，研究了催化劑種類與濃度、載體的種類與涂覆量、氣壓與水蒸氣通入量等生長條件對(duì)SWCNT陣列生長高度、質(zhì)量與結(jié)構(gòu)的影響，并通過透射電鏡與原子力顯微鏡的表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了少壁碳管的塌陷行為與臨界直徑。結(jié)果表明，AlFe2O4催化劑的催化活性優(yōu)于Fe3O4催化劑，Al原子的摻雜可有效防止催化劑顆粒團(tuán)聚，從而增加SWCNT陣列生長高度和質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)條件下獲得的生長SWCNT陣列最佳條件為