催化裂解法制備碳納米材料的研究.pdf

1、納米多孔碳和碳納米籠是兩類重要的碳納米材料。前者在吸附、分離、水處理和空氣凈化等方面有重要應(yīng)用價(jià)值，后者則因其中空內(nèi)腔、高石墨化等在存儲(chǔ)、模板、電子器件、能源、載體等方面有潛在的應(yīng)用前景。本文采用催化裂解結(jié)合后處理工藝，探討了這兩類碳材料的合成工藝。 其中，催化裂解法采用羰基鐵為催化劑前驅(qū)體，乙炔為碳源，分別在兩種溫度下（700℃和1500℃）制備了兩類不同形貌結(jié)構(gòu)的鐵碳混合顆粒。然后考察了四種后處理工藝的除鐵效果，包括：空氣氧

2、化酸洗工藝，混合酸酸洗工藝，直接快速熱處理工藝和加硫快速熱處理工藝。使用的表征手段有X射線衍射技術(shù)（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）、孔徑分布儀（BET方法）、熱重分析（TGA）、拉曼光譜（Raman Spectrum）、X射線光電子能譜（XPS）等。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，催化裂解法能夠大量、連續(xù)地合成鐵碳混合顆粒。700℃可獲得非晶的鐵碳混合顆粒，鐵或富鐵相顆粒的直徑約2-4 nm，彌散分布在直徑約20-80 nm大小的非晶碳顆粒

3、基體中；1500℃可獲得直徑約30-60 nm大小的碳包鐵顆粒，碳層具有很高的石墨化程度，鐵以?shī)W氏體相的CFe15.1和鐵素體相的α-Fe形式存在于碳包裹層內(nèi)。 在非晶鐵碳混合顆粒的除鐵工藝中，HNO3/HCl混合酸酸洗工藝是一種簡(jiǎn)單有效的除鐵工藝?？諝庋趸嵯垂に囈材軌蛴行У貙㈣F除盡。不過相對(duì)于混合酸酸洗工藝，所得納米多孔碳的平均孔徑有所增大，樣品的損失率也較大。直接快速熱處理工藝在較高的處理溫度下（本實(shí)驗(yàn)為1550℃）可得到

4、納米多孔碳材料。但該處理工藝所得碳產(chǎn)物的形貌不均勻，有鐵顆粒殘留。加硫快速熱處理工藝降低了鐵的擴(kuò)散激活能，避免了碳的重新溶入與析出，得到了均一形貌的納米多孔碳材料，其比表面積高達(dá)1000 m2/g，石墨化程度相對(duì)于混合酸酸洗工藝也有所提高。因而，加硫熱處理工藝是一種極有前景的納米多孔碳獲得工藝。 在碳包鐵顆粒的除鐵工藝中，HNO3/HCl混合酸酸洗工藝是無(wú)效的。空氣氧化酸洗工藝的除鐵效果雖有所提高，但鐵的殘余量仍高達(dá)17.3 w

5、t.％，且碳的損失量較高，因而也不是一種有效的除鐵方式。加硫熱處理工藝在這里顯示了極大的優(yōu)越性。通過加硫熱處理，樣品中鐵的殘余量低于2.2 wt.％，而碳的損失量卻很低，且碳納米籠的尺寸基本保持了原碳包鐵顆粒的尺寸。通過TEM/HRTEM觀察及XRD分析，我們提出了加硫熱處理中碳納米籠產(chǎn)生的機(jī)理解釋。 對(duì)加硫熱處理工藝所得碳納米籠的表征發(fā)現(xiàn)，碳納米籠具有非常好的石墨化，壁上存在開口，外表面帶有羧基、羥基等含氧官能團(tuán)，硫的殘余量很