碳化硅納米線薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、碳化硅(SiC)具有寬禁帶、高硬度、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子遷移率、強(qiáng)抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。一維SiC納米材料除保留其本征性質(zhì)外，還由于納米尺寸效應(yīng)、特定的形貌和內(nèi)在的特殊晶體結(jié)構(gòu)及缺陷，在力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等方面展現(xiàn)出更多特異性能。SiC納米線薄膜作為一維SiC納米材料的宏觀體結(jié)構(gòu)，在高溫分離過濾膜、光電催化分解水制氫、催化劑載體、高溫傳感器、納米復(fù)合材料以及新型納米光電器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
　　本文采用碳

2、熱還原法，以可膨脹石墨為碳源，金屬硅粉或正硅酸乙酯為硅源，分別以石墨紙和氧化鋁片為納米線生長(zhǎng)基底，制備了3C-SiC納米線薄膜;通過X射線衍射儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡等手段表征了產(chǎn)物的物相、形貌及微結(jié)構(gòu);分析了SiC納米線薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理;利用傅里葉紅外光譜儀、激光拉曼光譜儀、熒光光譜儀等儀器研究了納米線薄膜的成分及光致發(fā)光等性能;并重點(diǎn)研究了納米線薄膜的電化學(xué)、光電催化分解水制氫和光催化降解亞甲基藍(lán)性能。得到主要結(jié)論如下:
　

3、　以石墨紙為基底，可膨脹石墨、金屬硅粉為原料通過碳熱還原法合成了SiC納米線薄膜?？疾炝瞬煌磻?yīng)溫度、保溫時(shí)間和原料比例對(duì)納米線薄膜的形貌與結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律;1500℃下，C/Si摩爾比為2∶1，保溫反應(yīng)6h，得到直徑約20nm、長(zhǎng)度在幾百微米到厘米量級(jí)的納米線構(gòu)成的薄膜，其厚度約100-200μm。分析了石墨紙基SiC納米線薄膜的兩步氣-固生長(zhǎng)機(jī)理:首先Si和反應(yīng)體系殘余O2反應(yīng)產(chǎn)生SiO氣體，SiO與石墨紙基底的碳反應(yīng)生成SiC晶核，

4、其次，反應(yīng)體系中的SiO與CO氣固反應(yīng)生成SiC不斷沉積在石墨紙基底的晶核上及納米線端部，使納米線沿一維方向生長(zhǎng)。
　　研究了石墨紙基SiC納米線薄膜的電化學(xué)性能。采用石墨紙基SiC納米線薄膜作為電化學(xué)工作電極，在0.1MH2SO4電解液溶液和10mVs-1掃描電壓下，其循環(huán)伏安特性曲線顯示薄膜電極具備良好的電容性能和可逆性。恒流充放電測(cè)試表明，該薄膜電極具有優(yōu)異的能量?jī)?chǔ)存和快速的離子傳輸性能，在電流密度0.2Acm-2、0.3A

5、cm-2、0.5Acm-2、2.0Acm-2下比電容分別為25.6mFcm-2、37mFcm-2、28mFcm-2、28mFcm-2，充放電2000次后電容性能保持穩(wěn)定。
　　研究了石墨紙基SiC納米線薄膜光電催化分解水制氫性能。采用石墨紙基SiC納米線薄膜作為光電極，以0.1MH2SO4溶液作為電解液，在500W的可見光照射下，響應(yīng)電流最高達(dá)2.8mAcm-2，薄膜電極表面出現(xiàn)明顯的分解水現(xiàn)象，而暗室里響應(yīng)電流較低，薄膜表面無(wú)分

6、解水現(xiàn)象。隨著體系中正向電勢(shì)增加，響應(yīng)電流增大，分解水制氫效果變得越明顯。采用了反Volmer-Heyrovsky機(jī)理闡述該光電催化分解水制氫過程。研究還初步探討了電解液、基底材料、表面負(fù)載Pt粒子對(duì)電極光電催化作用的影響。
　　以氧化鋁片為基底，可膨脹石墨、正硅酸乙酯為原料，通過溶膠凝膠-碳熱還原法在氧化鋁基底上制備SiC納米線薄膜，分析了反應(yīng)溫度、保溫時(shí)間和原料比例等因素對(duì)薄膜生長(zhǎng)的影響。1500℃下，C/Si摩爾比為1∶1，