多壁碳纳米管的生长、掺杂及其相关应用的研究-材料科学与工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 分类号 密级 UDC 注1  学 位 论 文 多壁碳纳米管的生长、掺杂及其相关应用的研究 （题名和副题名） 刘 升 华 （作者姓名） 指导教师姓名 林 媛 教授 电子科技大学 成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请专业学位级别 硕士 专业名称 材料科学与工程 论文提交日期 2012.05.11 论文答辩日期 2012.05.14 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 年 月 日 注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 日期： 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （必威体育官网网址的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要 摘 要 碳纳米管(CNTs)作为纳米材料学的研究热点，无论在 CNT 阵列的可控制备还 是其掺杂改性后的功能化应用上都引起了研究者的广泛关注。就目前而言，如何 控制 CNTs 生长所需催化剂的颗粒形貌以得到高质量的 CNTs 阵列，以及对氮掺杂 改性后的 CNTs 在氧化还原反应中的电催化性能研究都成为近年来的焦点。 溶胶-凝胶(sol-gel)法是制备 CNTs 生长所需催化剂薄膜的一种简便有效的方 法。本文首先介绍了利用该方法制备的催化剂前驱液的水解程度对涂胶形成的薄 膜表面的催化剂形貌产生的影响。通过原子力显微镜和扫描电子显微镜的表征显 示：随着催化剂前驱液水解时间的延长，溶液水解程度的增加显著地控制着薄膜 表面形成的催化剂颗粒的尺寸和分布密度。由水解初期的前驱液涂胶所得的薄膜 表面，形成的催化剂颗粒尺寸较大(110nm)，不利于碳纳米管的生长；而水解至后 期得到的铁纳米颗粒尺寸急剧下降至 20~30nm，且颗粒密度明显增大，分布更为 均匀，明显地提高了 CNT 阵列的长度和取向。这是由于前驱液的水解产物 SiO2 与 Fe2O3 颗粒之间的相互作用影响了在高温退火和还原后形成的铁催化剂形貌。随 着水解产物的不断增多，Fe 颗粒的移动性受到限制，有效地阻止了催化剂晶粒在 退火和还原过程中的粗化。因此，通过控制前驱液的水解程度，便可找到 CNTs 生长所需催化剂尺寸和密度分布的最优条件，最终获得高质量的 CNTs 阵列。 考虑到 sol-gel 法不利于 CNTs 的掺杂改性，在文章的第二部分采用浮动催化- 热化学气相沉积法热解乙腈和二茂铁催化剂(2wt.%)的前驱液，制备直立的氮掺杂 碳纳米管(NCNTs)阵列，并成功实现通过不同掺水量的引入来调节氮掺杂碳纳米管 的结构与氮掺杂浓度且在掺水量高达 33.3wt.%的情况下，成功制备出 NCNTs 阵列。 SEM 和透射电子显微镜(TEM)的分析数据表明，少量水的掺入(1.2wt.%)会刻蚀掉 大量的非晶碳，使得到的氮掺杂碳纳米管的直径、壁厚明显减小。而当掺水量为 11.1wt.%时，二茂铁溶解度的降低伴随着催化剂颗粒尺寸的增大，导致制备的氮掺 杂碳纳米管的管径、壁厚与内部的竹节状结构密度反而增加。 更进一步的电化学分析表明 NCNTs 比未掺杂的 CNTs 拥有更优异的氧化还原 电催化活性，且其电催化性能随着掺水量的不同而变化。 关键词：碳纳米管，氮掺杂，掺水量，电催化，铁催化剂颗粒 I ABSTRACT ABSTRACT As one of the hot research areas in nano materials, carbon nanotubes (CNTs) have aroused a great deal of attention, which is not only in the controllable fabrication of CNT arrays, but also involved the applications of the doped CNTs. Up to nowadays, lots of researches focus on the morphology of