具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的螺旋碳纖維和多枝狀碳纖維的制備及生長(zhǎng)機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，關(guān)于納米碳纖維的研究已經(jīng)引起人們廣泛的研究興趣。納米碳纖維具有許多獨(dú)有的特性，如低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、比表面積大等，并且在催化劑和催化劑載體、鋰離子二次電池陽(yáng)極材料、雙電層電容器電極、高效吸附劑、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料、場(chǎng)發(fā)射電子材料等方面具有很大的應(yīng)用潛力。 在本文中，首先利用不同制備方法得到了具有不同粒徑分布的金屬銅催化劑，并且利用這些催化劑分別進(jìn)行了碳纖維的合成實(shí)驗(yàn)，研究了納米金屬銅催化劑的粒徑對(duì)其所催化生長(zhǎng)

2、的碳纖維的生長(zhǎng)形貌產(chǎn)生的影響，考察了反應(yīng)溫度對(duì)碳纖維生長(zhǎng)習(xí)性的影響；通過(guò)對(duì)不同生長(zhǎng)階段的碳纖維的形態(tài)的考察，研究了具有多種生長(zhǎng)模式的多枝狀碳纖維的生長(zhǎng)機(jī)理并建立生長(zhǎng)模型；利用氫氣對(duì)納米金屬顆粒表面的重構(gòu)作用，研究了氫氣的引入對(duì)具有高濃度Y型形貌特征的碳纖維生長(zhǎng)的影響；利用對(duì)納米螺旋碳纖維以及催化劑的高分辨透射電鏡分析，研究了納米螺旋碳纖維的生長(zhǎng)機(jī)理。主要結(jié)果如下： (1)金屬銅納米催化劑的尺寸和反應(yīng)溫度對(duì)碳纖維形貌均產(chǎn)生重要影響

3、。不同尺寸的納米銅催化劑可以分別制備得到直線型碳纖維、納米螺旋碳纖維和前兩者的混合產(chǎn)物。由此得知，納米銅催化劑顆粒尺寸不僅可以決定碳纖維的直徑，而且還可直接影響碳纖維的形貌，即具有較大尺寸的金屬銅催化劑易催化合成直線型碳纖維，而具有較小尺寸的催化劑顆粒一般能夠合成納米螺旋碳纖維。 反應(yīng)溫度對(duì)碳纖維生長(zhǎng)形貌同樣可以產(chǎn)生影響，該溫度直接影響到碳纖維的生長(zhǎng)速率。在本文中，利用酒石酸銅催化劑前驅(qū)體在200℃的溫度下，制備得到了直線型碳纖

4、維。 (2)對(duì)碳纖維生長(zhǎng)初期的納米銅金屬催化劑的團(tuán)聚體進(jìn)行了研究。通過(guò)不同生長(zhǎng)時(shí)期的碳纖維的制備和表征，研究了多枝狀碳纖維的生長(zhǎng)機(jī)理，并對(duì)其建立了生長(zhǎng)模型。研究表明組成催化劑聚集體的納米銅顆粒所催化生長(zhǎng)的碳纖維之間的生長(zhǎng)方向不同，使得它們之間有可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后導(dǎo)致了多枝狀碳纖維的生成。 (3)利用氫氣對(duì)催化劑顆粒表面的作用，制備得到了高濃度的具有Y型結(jié)構(gòu)特征的碳纖維。在279°的反應(yīng)溫度條件下，氫氣對(duì)金屬銅催化劑聚集

5、體的表面進(jìn)行了修飾和重構(gòu)，使得催化劑聚集體表面形成3個(gè)能夠催化聚合碳纖維的生長(zhǎng)晶面。在碳纖維的生長(zhǎng)過(guò)程中，每個(gè)催化劑顆粒聚集體上同時(shí)生長(zhǎng)了3根碳纖維，最終得到了具有Y型結(jié)構(gòu)特征的碳纖維。 (4)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和電鏡觀察，對(duì)納米螺旋碳纖維的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為金屬銅納米催化劑顆粒的各向異性是碳纖維以螺旋形態(tài)生長(zhǎng)的根本原因。在納米螺旋碳纖維中的催化劑顆粒表層，可能有銅的氧化物存在。生長(zhǎng)在同一個(gè)金屬銅催化劑顆粒上的兩根納米螺旋碳纖維