層狀雙金屬氫氧化物催化生長(zhǎng)碳基材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、碳納米管及碳纖維作為碳基材料中最重要的組成部分，不僅傳承了納米材料優(yōu)越的物理化學(xué)性能，并且由于自身特殊的石墨層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了許多優(yōu)異的電子傳導(dǎo)、高抗腐蝕性和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)廣泛的應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中，例如傳感器、半導(dǎo)體、催化劑及其催化劑載體、儲(chǔ)氫材料、超級(jí)電容器、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。對(duì)于發(fā)展簡(jiǎn)單、綠色、高效、可控的制備方法，獲得多功能、結(jié)構(gòu)可調(diào)，性能可控的此類碳基材料，具有重要的科學(xué)價(jià)值與實(shí)踐意義。在眾多影響碳基材料生長(zhǎng)的各種因素當(dāng)中，碳基材料所用催

2、化劑的性質(zhì)、組成及其微觀結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵。而這將影響所得碳基材料的形貌、結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，最終決定碳基材料在應(yīng)用方面的各種性能。因此，人們不斷地積極探索多種形貌碳基材料和所用催化劑的簡(jiǎn)易制備方法和對(duì)其結(jié)構(gòu)與組成的影響，從而進(jìn)行碳基材料的可控制備，以期獲得高質(zhì)量、高性能的碳基材料。
　　 水滑石(Layered Double Hydroxide，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)DHs)是一類具有特殊層狀結(jié)構(gòu)的層狀雙羥基金屬氫氧化物材料。由于LDHs存在著晶格能最低

3、效應(yīng)及晶格定位效應(yīng)，使不同種類的金屬離子以一定方式均勻分布在層板上。水滑石前驅(qū)體在高溫焙燒后得到的復(fù)合金屬氧化物中金屬離子保持與前驅(qū)體一致的分布。因此，利用LDHs作為前驅(qū)體可以制備得到均勻分散的活性金屬粒子，高效的生長(zhǎng)碳基材料。
　　 本論文利用水滑石層板中金屬離子在原子級(jí)別上高度分散的特點(diǎn)制備了一系列含特定活性組分的LDHs材料，并提出了水滑石焙燒產(chǎn)物L(fēng)DO為前驅(qū)體，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CCVD)的制備，合成一系列管徑均勻的

4、多壁碳納米管(直壁碳納米管和螺旋碳納米管)。通過(guò)研究不同溫度和不同活性組分對(duì)水滑石焙燒產(chǎn)物的影響，進(jìn)而研究對(duì)其碳納米管形貌和結(jié)構(gòu)的影響。水滑石前驅(qū)體法制備碳材料不僅克服了單元活性金屬粒子容易在反應(yīng)過(guò)程中燒結(jié)，使催化劑失去活性的缺點(diǎn)，還可以通過(guò)控制水滑石中不同比例的金屬組分來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管形貌生長(zhǎng)的控制。此種制備方法操作簡(jiǎn)便，可控、環(huán)境友好。
　　 本論文還提供一種原位制備碳納米管的方法。此方法利用水滑石直接作為催化劑，乙炔作為還

5、原劑和碳源，一步法生長(zhǎng)碳基材料。在反應(yīng)中以原位生長(zhǎng)得到的尖晶石型金屬氧化物作為載體支持所還原的金屬粒子分散，而金屬氧化物也在此過(guò)程中被生長(zhǎng)的碳納米管所分散，負(fù)載在碳納米管管壁的表面。原位合成的碳基材料中碳納米管和金屬氧化物之間均勻分散，相互作用力較強(qiáng)，且各組分之間的比例可以通過(guò)控制反應(yīng)條件來(lái)得到。此方法操作簡(jiǎn)便，表面含有大量的缺陷和含氧官能將有利于提高碳納米管材料的性能。
　　 利用水滑石層板組成和結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性向?qū)影逯幸氩煌?/p>

6、的活性組分和助活性組分，一步法生長(zhǎng)具有特殊結(jié)構(gòu)的碳纖維。通過(guò)對(duì)不同反應(yīng)條件的研究，最優(yōu)化制備多種形貌碳纖維，包括亞微米級(jí)直壁碳纖維(SSCFs)、螺旋碳纖維(扭狀螺旋碳纖維CNCs和雙螺旋碳纖維CMCs)、花邊型碳纖維(LCFs)。
　　 最后利用以上合成的多形貌碳基材料作為Pt粒子載體制備復(fù)合電催化劑應(yīng)用于甲醇、乙醇電催化氧化當(dāng)中，擁有較高的電化學(xué)活性和抗中毒性能。這是由于所合成的碳基材料不同的形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及表面所負(fù)載的含