中空碳納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾日益尖銳，使其成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸。因此，開發(fā)新型儲(chǔ)能材料和吸附材料備受國家和科研工作者的關(guān)注。中空碳納米材料集碳材料、納米材料和獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)于一身，呈現(xiàn)出特殊的光學(xué)、電學(xué)、催化性質(zhì)、相轉(zhuǎn)變和粒子輸運(yùn)等特性，導(dǎo)致其廣泛地應(yīng)用于超級(jí)電容器、水處理、鋰離子電池、光化學(xué)電池和催化劑等方面。目前，中空碳納米材料主要分為管狀碳納米材料和空心碳球兩類。其中，碳納米管作為管狀碳納米材料的主力軍主要

2、用作超級(jí)電容器的電極材料;空心碳球則因其具有較大的內(nèi)腔而被廣泛地用于水處理。然而，碳納米管由于比表面積較低而導(dǎo)致其比電容較小;空心碳球由于孔徑的限制而導(dǎo)致其對(duì)水中部分污染物（如重金屬和小分子有機(jī)物）有較好的吸附作用。因此，本研究將從發(fā)展新型儲(chǔ)能材料和吸附材料兩方面著手，分別基于碳納米管在超級(jí)電容器和空心碳球在水處理應(yīng)用中所存在的缺點(diǎn)，采用“揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短”的合成戰(zhàn)略，設(shè)計(jì)一系列具有不同空間結(jié)構(gòu)、形貌和優(yōu)越性能的中空碳納米材料，并對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)

3、行詳細(xì)地考察。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)首次在自制的納米反應(yīng)器中制備了一種分散性較好的管狀碳納米棒。該方法利用Brij58在環(huán)己烷和水中形成的反相膠束作為納米反應(yīng)器，以棒狀鎳肼絡(luò)合物為模板、間苯二酚和甲醛縮聚而成的間苯二酚-甲醛(RF)樹脂為碳源，SiO2層為保護(hù)層，成功地制備了一種具有一維管狀的中空碳納米材料。通過對(duì)模板長(zhǎng)徑比和RF樹脂厚度的調(diào)控，從而達(dá)到對(duì)管狀碳納米棒的可控合成（長(zhǎng)徑比為5-80、

4、壁厚為5-8 nm）。同時(shí)考察不同合成條件對(duì)產(chǎn)物形貌的影響;并利用透射電鏡(TEM)、X射線粉末衍射(XRD)、氮?dú)馕?脫附和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FT-IR)等手段對(duì)自制管狀碳納米棒進(jìn)行詳細(xì)地表征。
　　(2)鑒于碳納米管在雙電層電容器應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，為了提高自制管狀碳納米棒的電化學(xué)性能，考察不同炭化溫度對(duì)管狀碳納米棒ζ電位值、比表面積、石墨化程度和電化學(xué)性能的影響，探討ζ電位值、比表面積、石墨化程度和比電容的關(guān)系，從而優(yōu)化管狀

5、碳納米棒的電化學(xué)性能，并得到比電容為132 F/g（電流密度為0.9 A/g）的管狀碳納米棒。研究表明，當(dāng)功率密度為22.50 kW/kg時(shí)，該材料的能量密度仍可達(dá)7.8 Wh/kg，完全滿足《美國新一代汽車合作伙伴計(jì)劃》中對(duì)功率密度的要求(15.00kW/kg)。
　　(3)采用溶膠-凝膠法制備納米碳球;采用硬模板法，以RF樹脂為碳源、SiO2層為保護(hù)層，設(shè)計(jì)并合成一系列具有不同孔徑大小和孔道結(jié)構(gòu)的中空碳納米球。其中，納米碳球和

6、納米碳?xì)H具有因RF樹脂炭化而留下微孔的碳;納米多孔碳?xì)み€具有因多孔模板而留下介孔的碳壁;徑向納米空心碳球則因模板呈“菊花”狀而具有徑向孔。
　　(4)以腐植酸作為探針反應(yīng)，考察幾種自制的中空碳納米球和活性炭的吸附能力。研究表明，中空的囊腔和徑向孔均有利于吸附劑對(duì)腐植酸的去除?；趶较蚣{米空心碳球(WCS)對(duì)腐植酸具有較好的吸附性能，通過改變RF前驅(qū)體的用量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)WCS壁厚的調(diào)控;考察壁厚對(duì)ζ電位值、孔徑、孔容和比表面積的影響