納米結(jié)構(gòu)碳化硅和碳材料的制備與性能研究.pdf

1、本論文首先綜述了納米材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用及制備方法，重點闡述了納米結(jié)構(gòu)碳化硅及碳材料的研究進展及發(fā)展趨勢。在對碳化硅及碳材料的制備、應(yīng)用等方面的發(fā)展現(xiàn)狀進行了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上采用硫輔助方法低溫制備出了高品質(zhì)的晶態(tài)立方碳化硅納米線，并發(fā)現(xiàn)納米線的生長過程符合VLS生長機理；以廢塑料為原料，與硅粉在升華硫粉輔助條件下制備出了立方碳化硅六角片及納米線，這不但可以變廢為寶，充分利用固體廢棄物，還對廢塑料污染環(huán)境給出了一種可能的解決方案；采用高

2、溫裂解方法在不銹鋼高壓釜中，于銅及鎂基底上實現(xiàn)了從一維碳納米線到二維樹葉狀碳片，再到三維實心碳球及丁香花狀碳包覆四氧化三鐵分級結(jié)構(gòu)材料的控制合成。論文主要工作內(nèi)容概括如下：
　　 1.采用高壓釜技術(shù)，以硅粉作為硅源，四氯乙烯為碳源，金屬鈉為還原劑，升華硫粉為反應(yīng)輔助劑，在130℃得到了結(jié)晶品質(zhì)良好的3C-SiC納米線，其直徑主要集中在30納米，長度可達數(shù)十微米，高分辨電鏡照片顯示該納米線生長方向為[111]；不加入硫粉，于270

3、℃也能獲得直徑為40-120納米的立方相碳化硅納米線，但是線的產(chǎn)率相對于加硫粉輔助的要低的多。延長反應(yīng)時間一定程度上有益于納米線的形成；過高的反應(yīng)溫度并不能明顯增加納米線的含量，反而使得納米線尺寸分布變寬；增加或減少升華硫粉的用量都會降低碳化硅納米線的產(chǎn)率。此外，根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合相關(guān)文獻報道我們發(fā)現(xiàn)，該實驗中碳化硅納米線的具體形成機理為氣-液-固(VLS)生長機制。
　　 2.利用硅粉和廢塑料作為原料，金屬鈉和鎂粉為還原劑，硫

4、粉為輔助劑在不銹鋼高壓釜中于350-500℃得到了結(jié)晶品質(zhì)良好的立方碳化硅納米材料。當所用廢塑料為高密度聚乙烯(HDPE：洗發(fā)水及化妝品包裝瓶、礦泉水瓶等)時，所得產(chǎn)物中有部分為3C-SiC六方片(約占40％)，其尺寸主要集中在300-500納米，厚度約50納米；當所用廢塑料為低密度聚乙烯(LDPE：各種廢塑料袋、農(nóng)用地膜等)時，所得產(chǎn)物中有部分為3C-SiC納米線(約占35％)，其直徑約為50納米，長度可達數(shù)十微米；當所用廢塑料為聚對

5、苯二甲酸乙二醇酯(PET：透明汽水及飲品瓶)時，所得產(chǎn)物大部分為帶有褶皺的厚度約100納米的二維片狀結(jié)構(gòu)，并伴隨有少量類六角片(約20％)共存。當廢塑料主要成分為HDPE及LDPE時，所得碳化硅均為立方相；而當廢塑料主要成分為PET時，所得碳化硅材料為立方和六方混合相且伴隨有堆垛層錯現(xiàn)象。通過系統(tǒng)地觀察采用HDPE作碳源時其不同時間段條件下樣品的形貌，我們認為立方相碳化硅六角片狀結(jié)構(gòu)的形成過程屬于自組裝的定向聚集機制。
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6、.利用高溫分解路線，在銅及鎂基底上，以二茂鐵為催化劑，高溫氯化分解二氯甲烷，分別制備出了樹葉狀碳片及碳納米線陣列，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)對二維碳片厚度于50-200納米之間可控。當我們以其它鹵代烷烴替代二氯甲烷時可以獲得單分散的或相互粘連的微米級實心碳球；如果以甲醇、乙醇取代二氯甲烷并適當增加二茂鐵的用量可以得到仙人掌狀及丁香花狀碳包覆四氧化三鐵分級結(jié)構(gòu)材料。通過選擇不同的反應(yīng)體系，我們可以很容易地實現(xiàn)：從一維碳納米線到二維樹葉狀碳片，再到三

7、維實心碳球及丁香花狀碳包覆四氧化三鐵分級結(jié)構(gòu)材料的控制合成。借助于掃描電鏡仔細觀察二維碳材料的具體生長過程我們發(fā)現(xiàn)，其符合擴散限制聚集分型生長機制。
　　 此外，我們將附著碳材料的銅基底裁切成所需的電極片形狀，以金屬鋰片為對電極，組裝成模擬電池，在電壓區(qū)間為0.01-3 V，電流密度為100 mA/g條件下進行充放電測試，其首次放電比容量為730 mAh/g，而充電比容量達到321mAh/g。經(jīng)過簡單的幾次充放電循環(huán)，其比容量穩(wěn)