生物基碳納米材料的制備與性質研究.pdf

1、碳納米材料具有獨特的結構和眾多奇異的物理化學性質,在諸多科學技術領域顯示出巨大的潛在應用價值,近10年來逐漸成為國內外關注的一個研究熱點.本論文以生物材料為基質制備碳納米材料,并對其結構、性質及制備過程進行了較系統(tǒng)的研究,主要內容如下:以一種具有空心結構的脫鐵蛋白為納米級限域性模板反應器合成碳包覆金屬納米材料,即:以脫鐵蛋白(其空心結構由蛋白質肽鏈構成)作為合成碳包覆納米材料的納米級限域性模板反應器,首先采用化學組裝技術方法將擬包覆金屬

2、的前驅體填充到蛋白質肽鏈構成的空腔內,然后在溫和可控的條件下進行熱處理,使蛋白質肽鏈熱分解,其中生成的碳構成富勒烯類空心納米殼體并將填充在蛋白質空心內部的金屬材料包覆起來,得到碳包覆的金屬納米材料.考察了蛋白礦化反應參數(shù)對脫鐵蛋白礦化組裝結果的影響,并討論了其礦化機理;分別采用真空炭化工藝、還原炭化工藝成功制備出粒度分布均勻的碳包覆錳、鈷納米材料;采用TEM和EDX等對產品結構和組成進行了表征分析,并初步討論了碳包覆金屬納米材料的生長過

3、程和機制.以多糖(淀粉、纖維素)為基質通過控溫還原炭化工藝成功制備出碳包覆金屬納米材料,綜合采用TEM、HRTEM、SEM、EDX、XRD、Raman、IR光譜、UV-vis光譜等技術手段對產品的形態(tài)、結構、組成和性質進行了全面的分析研究.首先以淀粉為基質在氫氣氣氛下炭化制備出大量的碳包覆鐵納米材料,通過改變金屬前驅體中金屬氧化物的成分,成功制備出碳包覆FeCo復合金屬納米材料;以纖維素為基質采用還原炭化工藝亦成功地制備出碳包覆金屬納米

4、材料;得到的碳包覆金屬納米顆粒呈準球形的核殼結構,粒度比較均一.這些結果表明,淀粉和纖維素是制備碳包覆納米材料的理想碳前軀體.闡述了碳包覆金屬納米材料的形成機理;指出多糖基碳包覆納米材料的形成過程包括炭化過程和催化石墨化過程兩個階段.此外,以淀粉為前軀體采用電弧法成功制備出形態(tài)規(guī)整的納米碳球,其粒徑分布均勻,石墨化程度高.以鐵蛋白為催化劑前軀體,采用化學氣相沉積方法進行了碳納米管的制備研究.以煤氣為碳源氣相生長出大量碳納米管,對產品形態(tài)

5、、結構進行表征分析,并對其生長的影響因素進行研究,優(yōu)化了工藝參數(shù);通過調節(jié)反應時間等參數(shù)成功制備出定向生長的碳納米管陣列.實驗進一步以含硫有機化合物(噻吩、二硫化碳)為碳源制備出Y形碳納米管,結果表明硫是Y形碳納米管生長的重要因素,并以此提出了Y形碳納米管的生長機理;為進一步考察催化劑對碳納米管生長的影響,以二茂鐵為催化劑熱解煤氣制備出單壁碳納米管,并對其形態(tài)、結構以及生長機理進行了研究.實驗通過電化學測試分析考察了碳納米管作為電極材料