銅及其氧化物對碳纖維催化生長的研究.pdf

1、近年來,關(guān)于納米碳纖維的研究已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。納米碳纖維由于其在尺度上的原因,使得碳纖維表現(xiàn)出量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等。在宏觀上具有低密度、高比模量、高比強度、高導(dǎo)電性、比表面積大等特性,并且在催化劑和催化劑載體、鋰離子二次電池陽極材料、雙電層電容器電極、高效吸附劑、結(jié)構(gòu)增強材料、場發(fā)射電子材料等方面具有很大的應(yīng)用潛力。尤其是螺旋碳纖維以其獨特的螺旋結(jié)構(gòu),使其具有比直纖維更加優(yōu)異的特性和應(yīng)用前景。
　　 在本文中,首先利用不

2、同的制備方法制備了具有不同粒徑分布和不同形貌的金屬銅及其氧化物的催化劑,并且利用這些催化劑分別在不同條件下進行了碳纖維的合成實驗。研究了不同成分、粒徑和形貌的納米金屬催化劑對碳纖維的產(chǎn)量和形貌的影響;考察反應(yīng)溫度對碳纖維生長形貌和產(chǎn)量的影響;利用氫氣對納米金屬顆粒表面的重構(gòu)和催化還原作用,研究了氫氣對納米金屬銅和氧化物的預(yù)處理作用對碳纖維的產(chǎn)量和形貌的影響;通過對納米直纖維和螺旋碳纖維的透射電鏡照片分析,研究了直纖維和納米螺旋碳纖維的生

3、長機理。主要結(jié)果如下:
　　 (1)無論采用金屬銅、氧化亞銅還是氧化銅作為反應(yīng)的催化劑都能制備出直纖維和螺旋碳纖維的混合物。由此得出,采用還原性氣體乙炔作為碳源進行碳纖維的生長時,金屬納米催化劑在沉積的過程中會發(fā)生還原的過程。但是不同成分的催化劑在碳纖維的產(chǎn)量上有差異,催化劑中的氧的含量會增加碳纖維的脫氫量和產(chǎn)量。粒徑和形貌在對碳纖維生長形貌上表現(xiàn)出同向的作用,但是粒徑的影響為主要的。當粒子的某一維尺寸在100nm以下時催化生長

4、螺旋碳纖維,較大尺寸的催化劑催化合成直線型碳纖維。
　　 (2)反應(yīng)溫度對碳纖維的形貌產(chǎn)生影響。溫度作為吸附沉積的活化能,直接影響到纖維的產(chǎn)量和生長速率。在本文中,研究了碳纖維生長過程中的溫度,得到350℃時達到最佳的碳纖維產(chǎn)量。并發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,碳纖維的純度有所提高。
　　 (3)利用氫氣對催化劑成分和顆粒表面的修飾作用,研究了碳纖維的產(chǎn)量和形貌上的變化,在本文中,氫氣的預(yù)處理能夠還原催化劑為銅,得到更加純凈的碳纖

5、維,但是對形貌的影響不大。氫氣在金屬氧化物催化劑的產(chǎn)率上存在著抑制作用,對銅催化劑的影響不是很明顯。
　　 (4)通過大量的實驗和電鏡照片觀察,對直纖維和納米螺旋碳纖維的生長機理進行了探討,認為金屬銅催化劑顆粒的各向異性是碳纖維能夠夠以螺旋形貌的根本原因。以同一個催化劑顆粒生長的螺旋碳纖維之間夾角一般為70°或110°。
　　 (5)通過碳纖維IR圖譜分析得出,碳纖維并不是簡單的聚乙炔結(jié)構(gòu),會發(fā)生不同程度的氧化。碳纖維對