功能化碳納米纖維材料的宏量制備及其性能研究.pdf

1、碳基納米材料由于獨特的物理化學性質(zhì)，受到了科學界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在過去的三十年間，一系列不同維度的碳納米材料，如零維的富勒烯、一維的碳納米管，二維的石墨烯及三維的碳納米氣凝膠，被發(fā)現(xiàn)并改變了整個材料科學界的發(fā)展格局。特別的是，各種功能化的碳納米材料在許多領域，如:能源存儲與轉(zhuǎn)化、環(huán)境保護、生物醫(yī)療科技、微電子、傳感器等，展現(xiàn)出了極大的應用前景。盡管研究人員在碳納米材料的制備和應用方面取得了許多重要的進展，然而如何通過理性的設計實現(xiàn)碳

2、納米材料的功能化，以及如何實現(xiàn)功能碳納米材料的廉價宏量制備，仍然是目前亟待解決的關(guān)鍵科學問題。
　　本論文將著重探討碳納米纖維材料的功能化修飾、宏量制備及其性能研究。以本實驗室發(fā)展的碳質(zhì)納米纖維為基本結(jié)構(gòu)基元，通過理性的設計成功制備了幾種結(jié)構(gòu)特殊、成分多元的高性能一維碳納米纖維電催化劑。繼而，采用化學法合成的碳質(zhì)納米纖維水凝膠和工業(yè)化生產(chǎn)的廉價細菌纖維素為原料，實現(xiàn)了兩類三維碳納米纖維氣凝膠材料的廉價宏量制備。進一步，以廉價細菌纖

3、維素的三維骨架為基礎，實現(xiàn)碳納米氣凝膠的多功能化和宏量制備。并深入研究這些功能化碳納米纖維材料在能源存儲與轉(zhuǎn)換、環(huán)境保護、傳感器等領域的應用。取得的主要研究結(jié)果如下:
　　1.設計并發(fā)展了具有多元活性位點的介孔碳納米纖維電催化劑的制備技術(shù)，實現(xiàn)了碳質(zhì)納米纖維的功能化。利用本實驗制備的碳質(zhì)納米纖維為原材料，采取包覆聚吡咯，負載不同金屬前驅(qū)物和高溫熱處理的手段成功的合成了碳化鐵顆粒鑲嵌的介孔鐵、氮共摻雜碳納米纖維(Fe-N-CNFs)

4、和部分氧化的鎳顆粒負載的鎳、氮共摻雜碳納米纖維（PO-Ni/Ni-N-CNFs）。仔細探討了合成過程中的退火溫度、包覆聚吡咯的量及后處理的過程（如酸刻蝕，空氣中退火）對電催化劑結(jié)構(gòu)和活性的影響，實現(xiàn)了碳納米纖維電催化性能的功能化。并分別深入研究了Fe-N-CNFs，PO-Ni/Ni-N-CNFs這兩種一維碳基電催化劑在氧還原(ORR)和全水分解方面的應用，并闡明了催化劑的構(gòu)效關(guān)系。
　　2.發(fā)展了廉價宏量制備碳納米纖維氣凝膠的新方

5、法。采用化學法宏量合成的碳質(zhì)納米纖維水凝膠為原材料，通過簡單的冷凍干燥和高溫熱解，獲得了低密度(10 mg cm-3)、高孔隙率、疏水親油的碳納米纖維氣凝膠。進一步，受上述化學合成法的啟示，我們以工業(yè)化生物發(fā)酵制備的廉價環(huán)保的細菌纖維素為原料，采用類似的方法成功制備了超輕(4-6 mg cm-3)、柔性、耐火的碳納米纖維氣凝膠。相比傳統(tǒng)的化學氣相沉積法，本文中發(fā)展的兩種碳納米纖維氣凝膠的制備方法十分簡單、廉價、易規(guī)模化。這兩種宏量制備的

6、碳納米纖維氣凝膠在油污吸附、壓力傳感等方面顯示出了很好的應用前景。
　　3.基于生物質(zhì)細菌纖維素，發(fā)展了兩種簡單高效制備高性能摻雜碳納米纖維氣凝膠材料的方法。采用吸附了有害染料的細菌纖維素為前驅(qū)物制備了一系列摻雜的碳納米纖維氣凝膠，這種方法非常普適且環(huán)境友好。最重要的是，這個方法實現(xiàn)了一個“變害為寶”的過程。并探索了這類摻雜碳納米纖維(N，S-CNFs)氣凝膠在ORR及超級電容器領域的相關(guān)應用?？紤]到該種方法制備的摻雜碳納米纖維氣

7、凝膠的比表面較低，會影響它的性能。進一步，通過簡單的氨氣活化摻氮法制備出了高比表面積（高達916 m2 g-1）的氮摻雜碳納米纖維氣凝膠。由于這種氮摻雜納米纖維氣凝膠具有豐富的氮活性位點和高的比表面，其顯示出可媲美目前最優(yōu)鉑碳催化劑的ORR電催化性能。鋅-空氣電池實驗證實了這種高比表面氮摻雜碳納米纖維氣凝膠的實際應用價值。
　　4.發(fā)展了一種廉價高效制備高性能三維碳基析氫電催化劑的技術(shù)。以三維納米結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料（細菌纖維素）作為