中空碳納米材料的結(jié)構(gòu)設計及性能研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染與經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾日益尖銳，使其成為制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。因此，開發(fā)新型儲能材料和吸附材料備受國家和科研工作者的關注。中空碳納米材料集碳材料、納米材料和獨特的空間結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢于一身，呈現(xiàn)出特殊的光學、電學、催化性質(zhì)、相轉(zhuǎn)變和粒子輸運等特性，導致其廣泛地應用于超級電容器、水處理、鋰離子電池、光化學電池和催化劑等方面。目前，中空碳納米材料主要分為管狀碳納米材料和空心碳球兩類。其中，碳納米管作為管狀碳納米材料的主力軍主要

2、用作超級電容器的電極材料;空心碳球則因其具有較大的內(nèi)腔而被廣泛地用于水處理。然而，碳納米管由于比表面積較低而導致其比電容較小;空心碳球由于孔徑的限制而導致其對水中部分污染物（如重金屬和小分子有機物）有較好的吸附作用。因此，本研究將從發(fā)展新型儲能材料和吸附材料兩方面著手，分別基于碳納米管在超級電容器和空心碳球在水處理應用中所存在的缺點，采用“揚長補短”的合成戰(zhàn)略，設計一系列具有不同空間結(jié)構(gòu)、形貌和優(yōu)越性能的中空碳納米材料，并對其應用性能進

3、行詳細地考察。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果包括以下幾個方面:
　　(1)首次在自制的納米反應器中制備了一種分散性較好的管狀碳納米棒。該方法利用Brij58在環(huán)己烷和水中形成的反相膠束作為納米反應器，以棒狀鎳肼絡合物為模板、間苯二酚和甲醛縮聚而成的間苯二酚-甲醛(RF)樹脂為碳源，SiO2層為保護層，成功地制備了一種具有一維管狀的中空碳納米材料。通過對模板長徑比和RF樹脂厚度的調(diào)控，從而達到對管狀碳納米棒的可控合成（長徑比為5-80、

4、壁厚為5-8 nm）。同時考察不同合成條件對產(chǎn)物形貌的影響;并利用透射電鏡(TEM)、X射線粉末衍射(XRD)、氮氣吸附/脫附和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FT-IR)等手段對自制管狀碳納米棒進行詳細地表征。
　　(2)鑒于碳納米管在雙電層電容器應用中的優(yōu)缺點，為了提高自制管狀碳納米棒的電化學性能，考察不同炭化溫度對管狀碳納米棒ζ電位值、比表面積、石墨化程度和電化學性能的影響，探討ζ電位值、比表面積、石墨化程度和比電容的關系，從而優(yōu)化管狀

5、碳納米棒的電化學性能，并得到比電容為132 F/g（電流密度為0.9 A/g）的管狀碳納米棒。研究表明，當功率密度為22.50 kW/kg時，該材料的能量密度仍可達7.8 Wh/kg，完全滿足《美國新一代汽車合作伙伴計劃》中對功率密度的要求(15.00kW/kg)。
　　(3)采用溶膠-凝膠法制備納米碳球;采用硬模板法，以RF樹脂為碳源、SiO2層為保護層，設計并合成一系列具有不同孔徑大小和孔道結(jié)構(gòu)的中空碳納米球。其中，納米碳球和

6、納米碳殼僅具有因RF樹脂炭化而留下微孔的碳;納米多孔碳殼還具有因多孔模板而留下介孔的碳壁;徑向納米空心碳球則因模板呈“菊花”狀而具有徑向孔。
　　(4)以腐植酸作為探針反應，考察幾種自制的中空碳納米球和活性炭的吸附能力。研究表明，中空的囊腔和徑向孔均有利于吸附劑對腐植酸的去除?；趶较蚣{米空心碳球(WCS)對腐植酸具有較好的吸附性能，通過改變RF前驅(qū)體的用量從而實現(xiàn)對WCS壁厚的調(diào)控;考察壁厚對ζ電位值、孔徑、孔容和比表面積的影響