層狀雙金屬氫氧化物催化生長碳基材料及其電化學性能研究.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、高抗腐蝕性和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢廣泛的應用于諸多領(lǐng)域中，例如傳感器、半導體、催化劑及其催化劑載體、儲氫材料、超級電容器、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。對于發(fā)展簡單、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，具有重要的科學價值與實踐意義。在眾多影響碳基材料生長的各種因素當中，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易制備方法和對其結(jié)構(gòu)與組成的影響，從而進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，簡寫為LDHs)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、效應及晶格定位效應，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，高效的生長碳基材料。
　　 本論文利用水滑石層板中金屬離子在原子級別上高度分散的特點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LDO為前驅(qū)體，通過化學氣相沉積法(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)。通過研究不同溫度和不同活性組分對水滑石焙燒產(chǎn)物的影響，進而研究對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過程中燒結(jié)，使催化劑失去活性的缺點，還可以通過控制水滑石中不同比例的金屬組分來實現(xiàn)對碳納米管形貌生長的控制。此種制備方法操作簡便，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，一步法生長碳基材料。在反應中以原位生長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程中被生長的碳納米管所分散，負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，且各組分之間的比例可以通過控制反應條件來得到。此方法操作簡便，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，一步法生長具有特殊結(jié)構(gòu)的碳纖維。通過對不同反應條件的研究，最優(yōu)化制備多種形貌碳纖維，包括亞微米級直壁碳纖維(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粒子載體制備復合電催化劑應用于甲醇、乙醇電催化氧化當中，擁有較高的電化學活性和抗中毒性能。這是由于所合成的碳基材料不同的形貌、微觀結(jié)構(gòu)以及表面所負載的含