二维树状分叉碳纤维的浮动催化法制备

采用两段加热卧式浮动催化法合成了二维树状分叉碳纤维。讨论了制备条件如:催化剂(二茂铁)、催化促进剂(噻吩)以及它们在碳源溶液中的含量、苯／氢的比例、氢气的流量等对生长二维树状分叉碳纤维的影响。二维树状分叉碳纤堆的分叉纤堆相互平行排列,直径与母体纤维接近,部分分叉碳纤维与其它碳纤维交叉相连。提出了二维树状分叉碳纤维的生长机理和交叉结构可能的生长模式;二维树状分叉碳纤维的生长符合气相生长碳纤堆的生长机理,是纳米碳纤维在反应管高温区继续生长的结果。可以预测,控制一定的条件,可以用两段加热卧式浮动催化法合成二维碳纤维网状结构,在复合材料等领域有潜在的应用价值。     

浮动催化体系中碳纳米管的生长机理

提出了气相形核生长（VPN）机理解释浮动催化体系中碳纳米管的生长过程。浮动催化系统中生长碳纳米管的活性碳原子是由苯热解产生的,被硫原子部分覆盖的液态铁颗粒是单壁碳纳米管的形核中心,生成的单壁碳纳米管继续径向生长、逐渐石墨化后,得到多壁碳纳米管。气相形核生长机理能够解释浮动催化系统生长碳纳米管的结构特征。     

浮动催化法制备竹节状碳纳米管的研究

报道了竹节状碳纳米管的浮动催化法合成,通过对生长因素的控制可以用浮动催化法连续合成竹节状碳纳米管.实验发现关键因素是采用正己烷为碳源,并且详细讨论了影响竹节状碳纳米管生长的其它重要因素.结果表明碳纳米管的形态结构与碳源分子有直接关系.     

气相催化热解法制备纳米碳管的研究

以二茂铁为催化剂、苯为碳源、噻吩为生长促进剂,采用气相催化热解法制备了纳米碳管,并运用TEM、Raman、XRD等对纳米碳管的外观形貌、结构、晶化程度等进行了观察研究.结果表明:在1155℃下能制备出管径20～100nm的纳米碳管,其最大产量是催化剂用量的350%.     

催化剂加载对连续碳纤维表面生长碳纳米管的影响

通过化学气相沉积(CVD)在碳纤维表面还原得到均匀细小的催化剂颗粒并在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管(CNTs)。系统研究了催化剂种类以及浓度对碳纳米管产量和微观组织结构的影响,探究了碳纤维的浸润性能和单丝强度的变化。结果表明,Ni的催化活性最高,Co的催化活性适中,产生的CNTs较为均匀、规整,当催化剂浓度为0.02mol/L时,碳纤维表面生长CNTs多尺度增强体的拉伸强度最大。碳纤维表面生长CNTs,促使碳纤维的表面粗糙度增加,与树脂之间的结合变强,从而提高了碳纤维与环氧树脂之间的浸润性。     

化学气相沉积法制备定向碳纳米管及其生长机理的研究

以环己烷为碳源,二茂铁作催化剂,采用浮动催化化学气相沉积法制备了定向碳纳米管,并用SEM、TEM及Raman光谱对样品进行了鉴定和表征.并从不同的角度,提出了定向碳纳米管遵循底部生长的机理.     

不同基底上碳纳米管的制备及生长机理

以二茂铁为催化前驱物,C2H2为碳源,N2为载气,采用浮动催化法,在蓝宝石、单晶硅、石英、玻璃以及碳纤维基底上制备了不同形貌和结构的碳纳米管.利用扫描电子显微镜和Raman光谱对碳纳米管的形貌和微结构进行了表征.结果表明在蓝宝石和石英基底上所生长的碳纳米管薄膜具有较好的定向性和较高的石墨化程度;单晶硅基底上碳纳米管薄膜呈"底疏顶密"分布;而玻璃和碳纤维基底上所生长的碳纳米管不具有定向性.最后,对不同基底对碳纳米管生长的影响进行了分析和讨论.     

Cu/CNTs复合粉末制备工艺研究

采用原位合成和化学共沉积相结合的方法制备了Cr/Cu复合粉体催化剂,并将其用于碳纳米管的制备。利用XRD、SEM和TEM手段分别对其晶相、微观结构形态进行表征。研究表明,Cr含量对最终产物CNTs的结构有明显影响,10%(质量分数)Cr复合催化剂催化效果最好;不同煅烧温度下所得催化剂存在差异,其中700℃煅烧条件下可制备出结晶良好的Cr/Cu纳米复合催化剂。不同生长温度下所得复合粉体催化合成的碳纳米管品质形貌不一,其中800℃条件下可得到纯度高、表面光滑的碳纳米管。     

定向碳纳米管薄膜的制备

以二茂铁为催化剂前驱体,氢气为载气,乙炔为碳源,硅片作衬底,用化学气相沉积法,采用不同的催化剂引入方式,在700℃下分别制备出定向碳纳米管薄膜及非定向碳纳米管薄膜.并基于实验结果对影响生长定向碳纳米管的因素进行分析,表明催化剂颗粒的诱导作用是导致生长定向碳纳米管的重要原因.     

碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究

通过电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,利用浸渍法在连续的碳纤维表面加载了均匀的催化剂前驱体涂层,并通过化学气相沉积法(CVD)在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管。利用场发射扫描电镜(FESEM)研究了电化学氧化电流强度对碳纤维表面加载催化剂颗粒的形貌与碳纤维表面催化生长碳纳米管形貌的影响,发现最佳的电化学氧化电流强度为0.4 A;Co作为催化剂时,500℃气相沉积10min后制备的复合材料层间剪切强度与未做任何处理的碳纤维及脱浆后的碳纤维作为增强体时相比,分别提高了11.0%与26.5%。     

Hydrogen Storage in Carbon-Based Nanostructured Materials

Carbon nanostructures represent a revolution in science and hold the potential for a large range of applications because of their interesting electrical, mechanical, and optical properties. Multiwall carbon nanotubes and carbon nanofibers of herringbone formation were grown by chemical vapor deposition on different catalysts from a number of hydrocarbon sources. After the total or particle removal of the catalyst system, the carbon nanostructures were analyzed for hydrogen uptake. Six samples of nanofibers grown on a Pd-based catalyst system (with a surface area of 425–455 m²/g) were controlled oxidized in air, such that they had different ratios of Pd/C varying from 0.05 to 0.9 mole ratio. The hydrogen uptake experiments were performed volumetrically in a Sievert-type installation and showed that the quantity of desorbed hydrogen (for pressure intervals ranging from 1 to 100 bars) by the carbon nanostructures free of any metal catalyst particles was between 0.04 and 0.33% by weight. For the samples of nanofibers that contained Pd in various Pd/C ratios, palladium revealed catalytic properties and supplied atomic hydrogen at the Pd/C interface by dissociating the H₂ molecules. The results show a direct correlation between the Pd/C ratio and the quantity of hydrogen absorbed by these samples. A saturation value of about 1.5 wt.% was reached for a high ratio of about 1:1 of Pd/C. The multiwall carbon nanotubes grown on a Fe:Co:CaCO₃ catalytic system and purified by acid cleaning and air oxidation showed a hydrogen uptake value of 0.1 to 0.2 wt.%.     

工业级原料制备碳纳米管的研究

为降低碳纳米管批量制备的原料成本,以焦化苯和二茂铁为主要原料(工业级),采用浮游催化热解法制备碳纳米管,用TEM、SEM、Raman、XRD等对产物的形貌和结构进行观察和表征,着重讨论了二茂铁的分解温度和苯的挥发温度对碳纳米管的制备及其形貌的影响,并对其影响机理进行了分析.研究表明:在噻吩体积分数为0.55 mL/100 mL苯、炉膛反应温度为1170℃的前提下,当二茂铁的分解温度为150℃、苯的挥发温度为50℃时,用工业级原料完全可以制备出碳纳米管,此时,碳纳米管的内径分布在0.88~1.15 nm.     

High-quality single-walled carbon nanotubes synthesis by hot filament CVD on Ru nanoparticle catalyst

We investigated the single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) growth on Ru nanoparticle catalyst via hot filament assisted chemical vapor deposition (HFCVD) with two independent W filaments for the carbon precursor (methane) and the hydrogen dissociation respectively. The Ru nanoparticles were obtained following a two-step strategy. At first the growth substrate is functionalized by silanisation, then a self assembly of a ruthenium porphyrin complex monolayer on pyridine-functionalized metal oxide substrates. We have studied the impact of the filaments power and we optimized the SWCNTs growth temperature. The as grown SWCNTs were characterized by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and Raman spectroscopy. It was found that the quality, density and the diameter of SWCNTs depends on the filament and growth temperature. Results of this study can be used to improve the understanding of the growth of SWCNTs by HFCVD.     

环己烷浮游催化法在碳纤维表面生长碳纳米管

以环己烷为碳源、二茂铁为催化剂前躯,采用浮游催化法成功的在碳纤维表面生长了碳纳米管(CNT),制备了多尺度杂化材料CNTs/CF。实验重点考察了反应温度、二茂铁浓度、载气等参数对CNT在纤维表面生长的影响,通过扫描电镜(SEM)、投射电镜(TEM)研究了CNTs/CF的形貌及产物CNT的微观结构。当固定反应温度为820℃、二茂铁-环己烷浓度为2g/100mL时,随着氢气在载气中含量在0～100%范围内变化,产物CNT直径亦有86nm降低至39nm。通过单丝拉伸测试发现,相比初始碳纤维,不同长度的CNTs/CF单纤维强度下降幅度均在10%以内。     

催化裂解天然气于碳毡内低成本合成碳纳米管

基于制备碳/碳(C/C)复合材料的等温化学气相渗透(ICVI)技术,在1010～1100℃用Fe催化裂解工业天然气可在碳毡内原位合成出碳纳米管(CNTs).扫描电镜(SEM)观察结果表明,1060℃合成的CNTs具有较好的覆盖形貌和均匀管径(110～120nm)且纯净度高.高分辨率透射电镜(HRTEM)和Raman光谱测试结果进一步表明,该温度下合成的CNTs结晶度高,与碳纤维间结合力强.     

辅助气体对RF-PECVD制备碳纳米管薄膜形貌的影响

采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,以Ni为催化剂,经600℃裂解C2H2在Si基底上制备出定向碳纳米管薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)表征了刻蚀后Ni颗粒与沉积的碳纳米管薄膜的形貌。研究了辅助气体对等离子体预处理催化剂与碳纳米管生长的影响。结果表明:辅助气体(H2与N2)流量比对催化剂颗粒尺寸、分布以及碳纳米管生长有显著影响;合适的气体流量比有利于减少碳纳米管薄膜的杂质颗粒,促进其定向生长。预处理过程中气体流量比H2:N2=20:5时,预处理后催化剂Ni颗粒分布密度大、粒径小且分布范围窄,适合碳纳米管均匀着床;沉积生长碳纳米管薄膜时,H2:N2=20:15可得到纯度高、定向性好的碳纳米管。     

Structural changes in fibrous carbon nanomaterials produced by adding sulfur during chemical vapor deposition

Vapor-grown carbon fibers (VGCFs), platelet graphite nanofibers (PGNFs), turbostratic carbon nanofibers (CNFs), and carbon spheres were continuously produced by the thermal decomposition of ethanol in the presence of an Fe catalyst and a sulfur promoter at 1100 degrees C under a nitrogen/hydrogen atmosphere in a vertical chemical vapor deposition reactor. The sulfur concentration dramatically affected the morphology and microstructure of the carbon materials produced. A large amount of sulfur in the catalytic precursor led to the direct pyrolysis of hydrocarbons and the formation of carbon spheres (Fe:S = 1:10) while a lower amount of sulfur led to the formation of fibrous carbon materials, including VGCFs (Fe:S = 1:0.2), PGNFs (Fe:S = 1:2), and turbostratic CNFs (Fe:S = 1:5). The degree of poisoning of the catalysts determined the precipitation of the graphene layers, allowing the different types of carbon material to form.     

乙酰丙酮铁为催化剂源在碳纤维表面生长碳纳米管的工艺研究

以乙酰丙酮铁为催化剂源,三甘醇为溶剂,通过溶剂热法在碳纤维表面负载催化剂前驱体,在H2与N2中一定温度下进行还原,采用化学气相沉积法在碳纤维表面生长碳纳米管。研究了催化剂的负载条件和碳纳米管的生长条件,采用XRD、FTIR、RAMAN对乙酰丙酮铁在三甘醇中反应在碳纤维表面负载催化剂前驱体产物进行分析,用SEM、TEM对催化剂前驱体粒子及碳纳米管的形貌进行表征。结果表明:催化剂前驱体为粒径30nm左右的Fe3O4颗粒,当催化剂的还原温度为415℃、还原时间为60min时,Fe3O4颗粒还原成纳米Fe颗粒;当碳纳米管的生长温度为750℃、生长时间为30min、气流体积比为V(N2)∶V(H2)∶V(C2H2)=50∶10∶10时能在碳纤维表面生长出形貌均一、管径为30~60nm的碳纳米管。     

三维炭纤维预型体上烷烃气的催化炭沉积

研究了承载镍催化剂的三维(3D)炭纤维预型体,在含氢或无氢条件下,乙烷和合成天然气在其上面化学气相沉积形成的炭沉积率和碳纳米构结物.观察了炭沉积所获石墨纳米纤维、碳纳米管和石墨碳壳,得知沉积碳的纳米结构取决于沉积温度和碳源气组成.在650℃～800℃温间,总沉积时程直至12h,研究了烃类碳源气在氢气平衡下,从体积分数100%到20%变化情况.经Ni(NO3)2-6H2O甲醇溶液浸渍的3D炭纤维预型体在炭沉积前因溶液分解可还原出Ni.采用质量变化测定法、热谱-质谱分析仪、SEM、TEM和XRD对样品进行表征.结果表明:纤维状炭与囊包炭的比率随氢气含量的增加而增加,随反应温度的增高而减少.出乎意料的是,氢气的添加并不延长催化剂的寿命.该工艺过程对炭/炭复合材料的制备展示出良好的潜力.