碳納米材料的可控制備、表征及應(yīng)用研究.pdf

1、碳納米材料所具有的多樣性結(jié)構(gòu)及各種優(yōu)異性能，使其在信息、生物、能源、環(huán)境保護等各個方面展示了巨大的應(yīng)用前景。納米碳材料的結(jié)構(gòu)、維度、形貌、尺寸等因素對它們的性能有著重要影響。因而，碳材料的調(diào)控合成是碳納米科技發(fā)展的重要組成部分，也是探索碳材料性能及應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。論文借助表面活性劑構(gòu)筑的限域性微反應(yīng)器的模板作用可控制備了四種不同的納米碳材料：碳納米管、空心碳納米膠囊、碳包覆鐵納米材料以及納米碳帶，研究了所得碳包覆鐵納米材料用于磁性分離催

2、化劑載體的可行性。具體的研究工作包括以下幾個方面： 借助四元微乳體系，即十六烷基三甲基溴化胺 (CTAB) /水/環(huán)己烷/正戊醇構(gòu)筑的反相微乳為模板，以間苯二酚和甲醛為聚合單體，在溶劑熱條件下通過乳液聚合反應(yīng)選擇性合成了具有不同形貌特征的碳前驅(qū)體，后經(jīng)炭化分別制備了空心碳納米膠囊、碳納米管及碳包覆納米材料。利用 TEM、XRD、EDX、Raman、FT-IR及TG等測試手段，對合成樣品的形貌、結(jié)構(gòu)及成分進行了分析。考察了水與表面

3、活性劑的摩爾比值、間苯二酚的加入量、甲醛的用量、三氯化鐵的添加、CTAB的濃度、溶劑熱過程的溫度和時間以及炭化溫度和升溫速率等實驗參數(shù)對生成產(chǎn)物的影響。結(jié)合測試分析結(jié)果，對納米碳管和納米碳空囊的形成機理進行了初步討論。采用該制備工藝可實現(xiàn)在合成過程中對碳納米材料尺寸和形貌等指標(biāo)的調(diào)控。 以 CTAB 為模板劑，間苯二酚和甲醛為聚合單體，草酸亞鐵為金屬源，通過乳液聚合法制備了酚醛樹脂．鐵鹽前驅(qū)體，將其炭化得到了具有完好殼/核包覆結(jié)

4、構(gòu)的碳包覆鐵納米材料(Fe@C)；考察了金屬鹽添加量、炭化溫度及炭化升溫速率等工藝條件對Fe@C形成的影響；磁性能及 N<,2>吸附測試結(jié)果表明 Fe@C 具有超順磁性及較高的比表面積。以 Fe@C 為催化劑載體，采用浸漬法制備了 Fe@C 負(fù)載金屬Ru催化劑 (Ru/Fe@C)，并將其用于苯甲醇選擇氧化制備苯甲醛的反應(yīng)。研究結(jié)果表明，反應(yīng) 4.5 h后，苯甲醇的轉(zhuǎn)化率和苯甲醛的選擇性均接近 100％。利用磁分離技術(shù)，Ru/Fe@C 可

5、被回收并多次使用，Ru/Fe@C 循環(huán)使用4次后，苯甲醛的選擇性可保持100％，苯甲醇的轉(zhuǎn)化率仍可達80％。 采用水熱法，以葡萄糖為聚合單體，借助十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS) 的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向作用，制備了帶狀納米碳材料。EDX、XPS及FT-IR 測試結(jié)果表明納米帶為富碳高聚物，表面含有羥基、羰基等有機基團?？疾炝怂疅岱磻?yīng)溫度及時間、SDBS 的添加及高溫炭化處理對產(chǎn)物形貌及組成的影響：隨著水熱碳化溫度的升高或反應(yīng)時間的延長，所得碳

6、納米帶/片的尺寸增加，產(chǎn)物的結(jié)晶度變好。結(jié)合測試分析結(jié)果，初步探討了納米碳帶的形成機理。采用膠溶法獲得氫氧化鐵水溶膠，加入 SDBS 將其膠凝后，通過在氫氣及氮氣氣氛下的煅燒處理合成了 Fe 及Fe<,3>O<,4>催化劑，于 700℃下氣相沉積乙炔，分別制備了竹節(jié)狀及魚骨狀納米碳管。運用 SEM、TEM、XRD 等技術(shù)手段對碳材料的形貌、結(jié)構(gòu)及組成進行了分析，討論了氣相沉積的時間及溫度對產(chǎn)物形貌的影響。此外，不采用任何催化劑，以氮氣/

7、氫氣混合氣為載氣，700℃下直接裂解乙炔，可同時制備空心及實心微米碳球，并可于反應(yīng)器的不同位置收集產(chǎn)物?？疾炝顺练e溫度及載氣組成對生成產(chǎn)物形貌的影響，根據(jù)不同溫度下裂解乙炔所得產(chǎn)物的形貌變化，初步推測了空心及實心碳微球的形成機理。 以十二鎢磷酸為氧化劑，在水熱條件下對活性炭進行氧化改性，水熱氧化改性3天所得改性活性炭的噻吩脫除率為 39.6％，遠(yuǎn)高于初始活性炭的脫硫效果 (11.8％)。表面活性劑的加入可以在提高脫硫率的前提下，