具有對稱結(jié)構(gòu)的螺旋碳纖維和多枝狀碳纖維的制備及生長機理研究.pdf

1、近年來，關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有的特性，如低密度、高比模量、高比強度、高導電性、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行了碳纖維的合成實驗，研究了納米金屬銅催化劑的粒徑對其所催化生長

2、的碳纖維的生長形貌產(chǎn)生的影響，考察了反應溫度對碳纖維生長習性的影響；通過對不同生長階段的碳纖維的形態(tài)的考察，研究了具有多種生長模式的多枝狀碳纖維的生長機理并建立生長模型；利用氫氣對納米金屬顆粒表面的重構(gòu)作用，研究了氫氣的引入對具有高濃度Y型形貌特征的碳纖維生長的影響；利用對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機理。主要結(jié)果如下： (1)金屬銅納米催化劑的尺寸和反應溫度對碳纖維形貌均產(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。 反應溫度對碳纖維生長形貌同樣可以產(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)對碳纖維生長初期的納米銅金屬催化劑的團聚體進行了研究。通過不同生長時期的碳纖維的制備和表征，研究了多枝狀碳纖維的生長機理，并對其建立了生長模型。研究表明組成催化劑聚集體的納米銅顆粒所催化生長的碳纖維之間的生長方向不同，使得它們之間有可能產(chǎn)生內(nèi)應力，最后導致了多枝狀碳纖維的生成。 (3)利用氫氣對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°的反應溫度條件下，氫氣對金屬銅催化劑聚集

5、體的表面進行了修飾和重構(gòu)，使得催化劑聚集體表面形成3個能夠催化聚合碳纖維的生長晶面。在碳纖維的生長過程中，每個催化劑顆粒聚集體上同時生長了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)通過大量實驗和電鏡觀察，對納米螺旋碳纖維的生長機理進行了探討，認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。生長在同一個金屬銅催化劑顆粒上的兩根納米螺旋碳纖維