以納米石墨為碳源固相合成納米炭纖維的研究.pdf

1、納米炭纖維（CNFs）具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在納米制造、電子材料和器件、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理、復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料、電子源等眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。 論文中采用固相合成的方法，以氯化鐵為催化劑前驅(qū)體，分別以納米石墨、人造石墨和活性炭等幾種固態(tài)炭材料為碳源，在1500℃的高溫?zé)崽幚?，固相合成了納米炭纖維。采用SEM，TEM，XRD等分析方法對(duì)合成的納米炭纖維進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)，以氯化鐵為催化劑前驅(qū)體時(shí)，產(chǎn)物是規(guī)則生長(zhǎng)的實(shí)心纖維，直

2、徑30納米左右，長(zhǎng)度2至40微米。由于不同種類(lèi)、粒徑的碳源的反應(yīng)活性不同、預(yù)處理方式及其程度、催化劑前驅(qū)體添加量、催化劑與碳源復(fù)合方式、熱處理溫度、保溫時(shí)間等多種因素影響了納米炭纖維的制備，經(jīng)過(guò)一系列正交實(shí)驗(yàn)，本論文給出納米炭纖維的最佳制備工藝條件：以納米石墨為原料，以硫酸硝酸體積比三比一配置的混酸為預(yù)處理液，處理時(shí)間為100小時(shí)，按催化劑中鐵原子質(zhì)量比30%的比例添加氯化鐵并在保證鐵元素不流失的前提下，使用乙醇溶液浸漬法混合均勻，混合

3、均勻后1500℃熱處理并保溫1個(gè)小時(shí)，此時(shí)碳源轉(zhuǎn)化率達(dá)70%，制備的納米炭纖維潔凈度好、石墨化程度高。 采用SEM分析，觀察到納米炭纖維在催化劑粒子上以球形基體和塊基體生長(zhǎng)模式生長(zhǎng)。綜合兩種納米炭纖維的生長(zhǎng)模式，我們推測(cè)其生長(zhǎng)過(guò)程分為以下幾步：首先是吸附于金屬催化劑粒子前表面的納米石墨片層發(fā)生分解，生成碳團(tuán)簇或者多層graphene結(jié)構(gòu)。然后，碳團(tuán)簇或者多層graphene結(jié)構(gòu)溶入金屬催化劑形成鐵碳共熔體，隨著溫度下降，碳的溶解

4、度減小，碳原子開(kāi)始積聚在催化劑鐵顆粒表面，通過(guò)金屬體擴(kuò)散（盡管不能排除部分表面擴(kuò)散的貢獻(xiàn)），最后，碳在金屬粒子上以固態(tài)的形式沉積而生成納米炭纖維。 利用XRD分析發(fā)現(xiàn)，納米炭纖維的生長(zhǎng)經(jīng)過(guò)碳-金屬先形成共融體，碳原子在金屬顆粒中體擴(kuò)散，并在降溫過(guò)程中析出而生長(zhǎng)成納米炭纖維的。可以推測(cè)納米炭纖維的生長(zhǎng)過(guò)程：在熱處理升溫過(guò)程中，系統(tǒng)先消耗碳將鐵還原為γ-Fe晶體顆粒，之后，碳原子利用本身體積比較小的優(yōu)勢(shì)和鐵碳天生的良好結(jié)合能力，碳原