碳納米管和石墨烯的制備及應用研究.pdf

1、由于碳單質(zhì)和化合物組成的多樣性，碳及其化合物一直是材料、物理和化學領域的研究重點之一。特別近三十年來，隨著C60、碳納米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相續(xù)發(fā)現(xiàn)，逐次將碳材料的研究推向高潮。一種材料要實現(xiàn)其應用，其前提是具有優(yōu)異或不可替代的性能并能夠規(guī)?；苽浜涂煽鼗苽?，這也是碳納米管和石墨烯兩個新型碳納米材料的研究重點。鑒于此，本文提出并研究了一種超快、規(guī)模化制備石墨烯的方法——熔融含碳合金旋淬碳析出法;提出并

2、設計制備多種碳納米管特別結構的方法。在此基礎上，研究了碳納米管與本文所發(fā)現(xiàn)的Al-Sn產(chǎn)氫合金復合得到的Al-Sn/CNTs復合材料的產(chǎn)氫性能，以及采用熔融合金旋淬碳析出法制備的附著有石墨烯復合膜的Ni合金條帶的抗腐蝕性能，得到了如下的結果:
　　 研究了浮動催化方法制備碳納米管的工藝條件，制備了能滿足本論文實驗所需的碳納米管陣列和薄膜;通過對Al-Sn合金進行軋制，開發(fā)了一種在室溫下能夠與水直接快速反應產(chǎn)生氫氣的新型產(chǎn)氫合金。

3、研究了合金成分對產(chǎn)氫速度和產(chǎn)氫量的影響，發(fā)現(xiàn)鋁含量在27％時，此時合金中鋁錫的體積相當，氫氣析出速率最快;在鋁含量在45％時，氫氣產(chǎn)量最大，達到2.3L/cm3(0.2g/cm3)，此高于傳統(tǒng)儲氫合金，能夠與金屬氫化物相媲美;通過高溫超高壓方法制備了含有碳納米管的Al-Sn合金復合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著復合材料中碳納米管量的增加，Al-Sn合金復合材料產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速度增加，而在碳納米管含量相同的情況下，含有單壁碳納米管的Al-Sn合金復合

4、材料產(chǎn)氫量和產(chǎn)氫速度比含有多壁碳納米管的Al-Sn合金復合材料更大;結合理論研究，說明水分子在單壁碳納米管中的流動速度遠高于多壁碳納米管，從而增加了水分子進入合金內(nèi)部與Al-Sn合金反應的幾率，進而提升了該種復合材料與水直接反應制備氫氣的能力。
　　 利用陽極氧化鋁(AAO)為模板，通過對已經(jīng)制備了碳納米管或金屬納米線的AAO模板管壁再次擴孔，并再次生長碳納米管或納米線的新方法，獲得了銀納米線軸向與碳納米管連接，徑向被碳納米管包

5、裹的接觸面更大的異質(zhì)結構;利用AAO模板，通過調(diào)節(jié)AAO模板中已經(jīng)獲得的Ag納米線的熱處理溫度及隨后生長碳納米管的溫度，使AAO管壁上附著Ag納米顆粒，改變AAO內(nèi)壁的形貌。由于碳納米管生長過程中復制AAO內(nèi)壁的形貌，獲得了管壁帶有凹陷或窗口的新型碳納米管結構;基于此，實現(xiàn)鉑納米顆粒鑲嵌在碳納米管管壁內(nèi)，而不是附著在碳納米管管壁外或管內(nèi)的、鉑納米顆粒與碳納米管的新型異質(zhì)結構。這些結構為本文首先獲得，豐富了碳納米管的形貌和結構，并可能擁有

6、新的性能而在能源、藥物傳輸和納米電子器件中發(fā)揮特殊的作用。
　　 開發(fā)一種超快、規(guī)?；苽涫┑男路椒?，其特點是采用制備非晶條帶的單輥旋淬設備，將Ni/C合金噴射到高速旋轉(zhuǎn)的銅輥之上，瞬間（0.2秒）獲得了寬幾毫米、長幾米的連續(xù)均勻的、表面附著石墨烯的合金條帶，本文稱之為熔融合金旋淬碳自析法。通過對條帶形貌定性的描述和EDS半定量的分析，研究了碳在鎳中的含量和銅輥的轉(zhuǎn)速對膜層生長的影響，發(fā)現(xiàn):碳含量低于0.2wt％時，不能得到

7、石墨烯，碳含量越高，在合金條帶表面碳含量越高，得到的石墨烯面積越大，當碳含量高于0.6wt％時，石墨烯復合膜就會覆蓋整個合金帶材，為了得到少層石墨烯膜，碳含量控制范圍在0.6-0.3wt％之間;同時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越快，條帶越薄，冷卻速率越大，析出越多，膜層在帶面的覆蓋率越大，為了控制膜層厚度，轉(zhuǎn)速可在4000-6000rpm之間。研究了該方法生長石墨烯的機理:不同于普通的CVD方法中碳在固體內(nèi)滲碳析碳，該方法中碳的擴散主要在熔融Ni合金中，擴

8、散速度和深度增加，因此能夠以CVD方法不可比擬的速度生長石墨烯。熔融碳鎳合金旋淬時的冷卻速率達到104-106K/s，極大的溫度梯度變化和化學位梯度造成的碳原子的快速擴散超過了急冷凝固對碳原子的擴散速度大幅降低的影響，仍然表現(xiàn)為大量的碳原子的析出;同時，快速冷卻造成晶粒細化，為碳原子的析出提供了更多的擴散點，提高了擴散效率，進一步加速了碳原子析出，因而在鎳合金條帶表面形成了大量的石墨烯和少層石墨烯。
　　 研究了采用該法制備的合