碳納米管和石墨烯的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、由于碳單質(zhì)和化合物組成的多樣性，碳及其化合物一直是材料、物理和化學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。特別近三十年來(lái)，隨著C60、碳納米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相續(xù)發(fā)現(xiàn)，逐次將碳材料的研究推向高潮。一種材料要實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，其前提是具有優(yōu)異或不可替代的性能并能夠規(guī)模化制備和可控化制備，這也是碳納米管和石墨烯兩個(gè)新型碳納米材料的研究重點(diǎn)。鑒于此，本文提出并研究了一種超快、規(guī)模化制備石墨烯的方法——熔融含碳合金旋淬碳析出法;提出并

2、設(shè)計(jì)制備多種碳納米管特別結(jié)構(gòu)的方法。在此基礎(chǔ)上，研究了碳納米管與本文所發(fā)現(xiàn)的Al-Sn產(chǎn)氫合金復(fù)合得到的Al-Sn/CNTs復(fù)合材料的產(chǎn)氫性能，以及采用熔融合金旋淬碳析出法制備的附著有石墨烯復(fù)合膜的Ni合金條帶的抗腐蝕性能，得到了如下的結(jié)果:
　　 研究了浮動(dòng)催化方法制備碳納米管的工藝條件，制備了能滿足本論文實(shí)驗(yàn)所需的碳納米管陣列和薄膜;通過(guò)對(duì)Al-Sn合金進(jìn)行軋制，開發(fā)了一種在室溫下能夠與水直接快速反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的新型產(chǎn)氫合金。

3、研究了合金成分對(duì)產(chǎn)氫速度和產(chǎn)氫量的影響，發(fā)現(xiàn)鋁含量在27％時(shí)，此時(shí)合金中鋁錫的體積相當(dāng)，氫氣析出速率最快;在鋁含量在45％時(shí)，氫氣產(chǎn)量最大，達(dá)到2.3L/cm3(0.2g/cm3)，此高于傳統(tǒng)儲(chǔ)氫合金，能夠與金屬氫化物相媲美;通過(guò)高溫超高壓方法制備了含有碳納米管的Al-Sn合金復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)合材料中碳納米管量的增加，Al-Sn合金復(fù)合材料產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速度增加，而在碳納米管含量相同的情況下，含有單壁碳納米管的Al-Sn合金復(fù)合

4、材料產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速度比含有多壁碳納米管的Al-Sn合金復(fù)合材料更大;結(jié)合理論研究，說(shuō)明水分子在單壁碳納米管中的流動(dòng)速度遠(yuǎn)高于多壁碳納米管，從而增加了水分子進(jìn)入合金內(nèi)部與Al-Sn合金反應(yīng)的幾率，進(jìn)而提升了該種復(fù)合材料與水直接反應(yīng)制備氫氣的能力。
　　 利用陽(yáng)極氧化鋁(AAO)為模板，通過(guò)對(duì)已經(jīng)制備了碳納米管或金屬納米線的AAO模板管壁再次擴(kuò)孔，并再次生長(zhǎng)碳納米管或納米線的新方法，獲得了銀納米線軸向與碳納米管連接，徑向被碳納米管包

5、裹的接觸面更大的異質(zhì)結(jié)構(gòu);利用AAO模板，通過(guò)調(diào)節(jié)AAO模板中已經(jīng)獲得的Ag納米線的熱處理溫度及隨后生長(zhǎng)碳納米管的溫度，使AAO管壁上附著Ag納米顆粒，改變AAO內(nèi)壁的形貌。由于碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中復(fù)制AAO內(nèi)壁的形貌，獲得了管壁帶有凹陷或窗口的新型碳納米管結(jié)構(gòu);基于此，實(shí)現(xiàn)鉑納米顆粒鑲嵌在碳納米管管壁內(nèi)，而不是附著在碳納米管管壁外或管內(nèi)的、鉑納米顆粒與碳納米管的新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)為本文首先獲得，豐富了碳納米管的形貌和結(jié)構(gòu)，并可能擁有

6、新的性能而在能源、藥物傳輸和納米電子器件中發(fā)揮特殊的作用。
　　 開發(fā)一種超快、規(guī)?；苽涫┑男路椒ǎ涮攸c(diǎn)是采用制備非晶條帶的單輥旋淬設(shè)備，將Ni/C合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥之上，瞬間（0.2秒）獲得了寬幾毫米、長(zhǎng)幾米的連續(xù)均勻的、表面附著石墨烯的合金條帶，本文稱之為熔融合金旋淬碳自析法。通過(guò)對(duì)條帶形貌定性的描述和EDS半定量的分析，研究了碳在鎳中的含量和銅輥的轉(zhuǎn)速對(duì)膜層生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn):碳含量低于0.2wt％時(shí)，不能得到

7、石墨烯，碳含量越高，在合金條帶表面碳含量越高，得到的石墨烯面積越大，當(dāng)碳含量高于0.6wt％時(shí)，石墨烯復(fù)合膜就會(huì)覆蓋整個(gè)合金帶材，為了得到少層石墨烯膜，碳含量控制范圍在0.6-0.3wt％之間;同時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越快，條帶越薄，冷卻速率越大，析出越多，膜層在帶面的覆蓋率越大，為了控制膜層厚度，轉(zhuǎn)速可在4000-6000rpm之間。研究了該方法生長(zhǎng)石墨烯的機(jī)理:不同于普通的CVD方法中碳在固體內(nèi)滲碳析碳，該方法中碳的擴(kuò)散主要在熔融Ni合金中，擴(kuò)

8、散速度和深度增加，因此能夠以CVD方法不可比擬的速度生長(zhǎng)石墨烯。熔融碳鎳合金旋淬時(shí)的冷卻速率達(dá)到104-106K/s，極大的溫度梯度變化和化學(xué)位梯度造成的碳原子的快速擴(kuò)散超過(guò)了急冷凝固對(duì)碳原子的擴(kuò)散速度大幅降低的影響，仍然表現(xiàn)為大量的碳原子的析出;同時(shí)，快速冷卻造成晶粒細(xì)化，為碳原子的析出提供了更多的擴(kuò)散點(diǎn)，提高了擴(kuò)散效率，進(jìn)一步加速了碳原子析出，因而在鎳合金條帶表面形成了大量的石墨烯和少層石墨烯。
　　 研究了采用該法制備的合