碳納米材料的制備及有機功能化修飾的研究.pdf

1、由于碳納米管在力學、電學、熱學和光學等多方面的優(yōu)異性能，從其被發(fā)現之日起，就已經引起了物理、化學及材料等學科的極大興趣。目前，對于碳納米管在應用方面的研究已取得了較大的進展，然而距人們的所期待值仍有很大的差距。從相關的研究進展來看，如何進一步開發(fā)實用、廉價的大量碳納米管合成工藝以及如何實現碳納米管的可控制備仍是當前最為重要的發(fā)展方向之一，與此同時，如何實現定向碳納米管的低成本工業(yè)化生產也是當前急需解決的問題。 本論文從CVD法制

2、備碳納米管入手，開發(fā)出了一種能高產率制備高質量多壁碳納米管的高效催化劑，同時利用噴霧熱解法系統(tǒng)地研究了定向碳納米管的制備工藝，此外，針對碳納米管在溶劑中難溶解以及在復合材料基體中難分散這一難題，還開展對多壁碳納米管進行有機功能化修飾的研究。研究具有基礎性和前瞻性，兼具重要的理論意義和應用前景。 第一，采用溶膠－凝膠法制備出Ni/Mo/Mg三金屬催化劑，并將其應用于CVD中試反應爐中，以乙炔為碳源，在750℃下，高效地制備出高質量

3、、高純度的多壁碳納米管，在反應35min后，所得到碳納米管的質量接近初始催化劑質量的10倍。SEM和TEM結果顯示該樣品中碳納米管長度大約在50μm左右，管徑在30～35nm之間。 第二，以溶膠-凝膠法制備的Fe/Mg/Mo三金屬作為催化劑，甲烷為碳源，在化學氣相沉積反應爐中制備出了純度較高單壁碳納米管。此外，通過調節(jié)催化劑配比和改變其它工藝條件，由石墨層狀結構組成的碳納米帶也被成功合成，電鏡觀察結果顯示該納米帶的厚度約為10n

4、m，寬度為幾百納米，長度在100μm的數量級。 第三，采用噴霧熱解法，以二甲苯為碳源，二茂鐵為催化劑，通過調節(jié)各種實驗工藝參數，得到了高質量定向碳納米管的最佳生長環(huán)境，并對定向碳納米管的生長機制做了較為系統(tǒng)、深入的探討。與此同時，還制備了超長碳納米管束(8.2mm)、“波浪式”碳納米管陣列、碳微/納米球和由這些碳球組成的碳球鏈。 第四，通過選用戊烷、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、二甲苯和環(huán)己烷八種有機溶劑作為碳源來制備定向

5、碳納米管，可以發(fā)現，二甲苯、正庚烷和環(huán)己烷都是制備高質量定向碳納米管的理想前驅體；此外，在對比分析由這些碳源所得產物的表面形貌和微觀結構后，發(fā)現當選用直鏈烷烴制備碳納米管時，其產物的表面形貌和微觀結構主要是受其碳源先驅體熱學性能(標準生成焓和吉布斯自由能)的影響；而當選用芳香烷烴制備碳納米管時，其所得產物的形貌特征和微觀結構主要取決于芳香烴自身的熱分解機制，這些發(fā)現將為定向碳納米管朝規(guī)?；?、可控化方向制備提供重要的科學依據。 第

6、五，采用酸化法對CVD法制備的多壁碳納米管進行化學純化處理，并利用甲醛的親電性能和多壁碳納米管進行反應，成功在多壁碳納米管的表面引入了羥甲基官能團，使多壁碳納米管在水中的分散性明顯改善，然后在此基礎上通過酯化反應把馬來酸酐和聚丙烯酸分別接枝在多壁碳納米管的表面，提高了多壁碳納米管在溶劑中的分散性能，為制備高性能的碳納米管/聚合物復合材料打下了基礎。 第六，采用原位懸浮液聚合法，得到了聚酰亞胺非共價包覆的碳納米管，此修飾后的碳納米