利用固相碳源協(xié)同作用制備碳納米管及其生長機(jī)理的研究.pdf

1、碳納米管作為一維炭材料的典型代表，因其獨(dú)特的電磁、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能，在納米電子器件、復(fù)合材料、生物醫(yī)療、儲氫材料等領(lǐng)域被廣泛研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，在制備方法、生長機(jī)理以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面取得了巨大的成果，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的材料之一，但目前還沒有一種方法能夠制備出結(jié)構(gòu)規(guī)整、純度高、層數(shù)可控的碳納米管，因此在結(jié)合現(xiàn)有的制備方法的基礎(chǔ)上，提出新的制備工藝是一種可行的途徑。
　　本文利用固相碳源與催化劑混合、炭化，并在助催化劑的

2、作用下，合成多壁碳納米管。采用SEM、TEM、HRTEM、XRD、Raman等分析表征手段研究碳管的形貌結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用該方法制得的碳納米管直徑為50～100nm，長度為0.2～4μm，管壁較薄，直線型，結(jié)晶性能較好以及內(nèi)部有較高催化劑填充率。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變碳源的種類和顆粒大小、催化劑的類型及與碳源混合方式、酸化時(shí)間、反應(yīng)溫度、保溫時(shí)間以及H2O和噻吩(C4H4S)添加量等參數(shù)，最終獲得了碳管的最佳合成條件:選擇利用10～20μ

3、m的天然石墨通過改性的H法氧化24h得到的氧化石墨烯為碳源，NiO/MgO為催化劑，按照質(zhì)量比3∶10的比例，在乙醇溶液中混合均勻并加熱蒸干，在850℃炭化，保溫6～10h，并同時(shí)通入1.5ppm·min-1的水蒸氣和1ppm·min-1的噻吩，最終得到形貌較好的CNTs。
　　通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出一種新的制備CNTs的生長機(jī)理，其過程如下:(1)氧化處理使得碳源表面含有大量官能團(tuán)和活性較高的碳位點(diǎn)，可以均勻吸附和錨合催化劑顆

4、粒;(2)在炭化過程中，催化劑被還原，同時(shí)吸附S原子使其熔點(diǎn)降低，在Ostwald熟化作用下相互融并;(3)催化劑顆?？涛g碳層并吸附、溶解碳原子簇，使催化劑中碳的濃度升高;(4)當(dāng)碳濃度增大到一定量時(shí)，在催化劑表面析出碳層，繼續(xù)吸附S和刻蝕碳源，使得催化劑體內(nèi)壓力增大，在膨脹作用力下，催化劑變形拉長;(5)隨著吸附S原子的飽和以及碳源的耗盡，生長結(jié)束，最后形成碳包覆金屬硫化物的碳納米管。
　　本實(shí)驗(yàn)制得的CNTs作為鋰離子二次電池