生物基碳納米材料的制備與性質(zhì)研究.pdf

1、碳納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和眾多奇異的物理化學(xué)性質(zhì),在諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,近10年來逐漸成為國內(nèi)外關(guān)注的一個(gè)研究熱點(diǎn).本論文以生物材料為基質(zhì)制備碳納米材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及制備過程進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,主要內(nèi)容如下:以一種具有空心結(jié)構(gòu)的脫鐵蛋白為納米級(jí)限域性模板反應(yīng)器合成碳包覆金屬納米材料,即:以脫鐵蛋白(其空心結(jié)構(gòu)由蛋白質(zhì)肽鏈構(gòu)成)作為合成碳包覆納米材料的納米級(jí)限域性模板反應(yīng)器,首先采用化學(xué)組裝技術(shù)方法將擬包覆金屬

2、的前驅(qū)體填充到蛋白質(zhì)肽鏈構(gòu)成的空腔內(nèi),然后在溫和可控的條件下進(jìn)行熱處理,使蛋白質(zhì)肽鏈熱分解,其中生成的碳構(gòu)成富勒烯類空心納米殼體并將填充在蛋白質(zhì)空心內(nèi)部的金屬材料包覆起來,得到碳包覆的金屬納米材料.考察了蛋白礦化反應(yīng)參數(shù)對(duì)脫鐵蛋白礦化組裝結(jié)果的影響,并討論了其礦化機(jī)理;分別采用真空炭化工藝、還原炭化工藝成功制備出粒度分布均勻的碳包覆錳、鈷納米材料;采用TEM和EDX等對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了表征分析,并初步討論了碳包覆金屬納米材料的生長(zhǎng)過

3、程和機(jī)制.以多糖(淀粉、纖維素)為基質(zhì)通過控溫還原炭化工藝成功制備出碳包覆金屬納米材料,綜合采用TEM、HRTEM、SEM、EDX、XRD、Raman、IR光譜、UV-vis光譜等技術(shù)手段對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)進(jìn)行了全面的分析研究.首先以淀粉為基質(zhì)在氫氣氣氛下炭化制備出大量的碳包覆鐵納米材料,通過改變金屬前驅(qū)體中金屬氧化物的成分,成功制備出碳包覆FeCo復(fù)合金屬納米材料;以纖維素為基質(zhì)采用還原炭化工藝亦成功地制備出碳包覆金屬納米

4、材料;得到的碳包覆金屬納米顆粒呈準(zhǔn)球形的核殼結(jié)構(gòu),粒度比較均一.這些結(jié)果表明,淀粉和纖維素是制備碳包覆納米材料的理想碳前軀體.闡述了碳包覆金屬納米材料的形成機(jī)理;指出多糖基碳包覆納米材料的形成過程包括炭化過程和催化石墨化過程兩個(gè)階段.此外,以淀粉為前軀體采用電弧法成功制備出形態(tài)規(guī)整的納米碳球,其粒徑分布均勻,石墨化程度高.以鐵蛋白為催化劑前軀體,采用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行了碳納米管的制備研究.以煤氣為碳源氣相生長(zhǎng)出大量碳納米管,對(duì)產(chǎn)品形態(tài)

5、、結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析,并對(duì)其生長(zhǎng)的影響因素進(jìn)行研究,優(yōu)化了工藝參數(shù);通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)成功制備出定向生長(zhǎng)的碳納米管陣列.實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步以含硫有機(jī)化合物(噻吩、二硫化碳)為碳源制備出Y形碳納米管,結(jié)果表明硫是Y形碳納米管生長(zhǎng)的重要因素,并以此提出了Y形碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理;為進(jìn)一步考察催化劑對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響,以二茂鐵為催化劑熱解煤氣制備出單壁碳納米管,并對(duì)其形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)通過電化學(xué)測(cè)試分析考察了碳納米管作為電極材料