单壁碳纳米管在Li离子电池中的行为变化及相关问题的拉曼光谱研究

摘要

碳纳米管是一种人工合成的准一维量子材料，它的出现不仅丰富了人们对碳这一自然界中最为寻常的元素的认识，也为开展低维材料的基础研究打开了方便之门。因其独特的结构，及在力学、电学等方面的优异性能，在纳米电子器件、功能材料以及燃料电池等各个领域都引起了人们的广泛关注。 拉曼散射技术是研究碳纳米管的有力手段之一，它对于了解碳纳米管的结构及其物理内涵具有重要的作用。尤其是原位拉曼光谱技术可以让我们在一个动态的变化过程中获得关于样品的即时光谱信息。以此为出发点，本文希望通过借助于原位拉曼检测的手段，更进一步地了解碳纳米管的性质以及它随周围环境条件变化的作用机制。 全文共分为六章。第一章绪论部分简要概述了碳纳米管的发现、结构、性质以及几种基本的制备技术。 在第二章中，首先简述了碳纳米管的纯化原理以及几种基本的纯化方法。然后，针对我们的碳纳米管样品中含有过多金属催化剂颗粒的特点，设计了以超声振荡酸化处理为主，辅以气相氧化的纯化方法。通过纯化获得了管径分布更为集中的单壁碳纳米管样品。最后，对纯化过程可能对单壁碳纳米管的结构造成的影响进行了分析。 在第三章中，我们主要研究了单壁碳纳米管的拉曼光谱及其谱线对周围环境条件的依赖关系。通过对碳的几种同素异型体的拉曼光谱的比较，我们发现它们的特征谱线具有明显的拉曼频移，而这主要归因于石墨层的卷曲以及曲率的变化。在不同的激发波长下，由于共振的影响，SWNT(the single-walled carbon nanotubes)的特征峰发生了明显的位移，并且，在457.5 nm激发光下获得了质量很高的SWNT的三阶拉曼光谱。对于不同基质材料上SWNT薄膜拉曼光谱的不同，我们归因于材料导热性能的差异，而其本质是与碳纳米管跟温度的依赖性有关的，对此，我们在对不同基底上的SWNT薄膜进行变功率测试时进行了解释。 在第四章中，我们从电化学的角度出发研究了银电极上SWNT薄膜随电位变化的拉曼光谱。在电位的循环过程中，SWNT拉曼光谱的变化表现出一定的可逆性，但是这种可逆性随电压具有相对滞后的特点。 第五章则主要通过原位拉曼检测的手段，并借助于光学窗口模拟电池，对SWNT在Li离子电池充放电过程中的行为变化进行了原位检测。在该过程中SWNT的变化是一个部分可逆过程，光谱中不可逆的变化对应了SWNT在第一周充放电过程中不可逆容量的存在。随着充放电过程的深入，光谱变化的速率渐缓。 为了熟练对DFT(density functional theory)理论的应用，并深化对SERs(surface enhanced Raman scattering)技术和机理的研究，在第六章中，我们深入研究了银镜岛膜衬底上吗啡分子的SERS光谱和吸附取向。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2碳纳米管的发现

§1.3碳纳米管的结构

1.3.1碳纳米管的类型

1.3.2碳纳米管的基本结构模型

1.3.3碳纳米管的晶格参数

1.3.4碳纳米管的不规则结构

§1.4碳纳米管的制备

§1.5碳纳米管的性能及应用

1.5.1碳纳米管的电学性能及其应用

1.5.2碳纳米管的力学性能及其应用

1.5.3碳纳米管的场发射性能及其应用

1.5.4碳纳米管的氢存贮性能

1.5.5碳纳米管的电化学性能

参考文献

第二章碳纳米管的纯化

§2.1纯化的基本原理

§2.2几种常见的纯化方法

2.2.1物理纯化方法

2.2.2化学纯化方法

2.2.3综合纯化法

§2.3纯化对碳纳米管结构的影响

参考文献

第三章单壁碳纳米管的拉曼光谱研究

§3.1引言

§3.2样品的准备和测量仪器

§3.3结果与讨论

3.3.1单壁碳纳米管的正常拉曼光谱

3.3.2碳的几种同素异型体的拉曼光谱的比较

3.3.3不同激发波长下单壁碳纳米管的拉曼光谱

3.3.4不同基质材料上SWNT膜的拉曼光谱及变功率测试

§3.4本章小结

参考文献

第四章银电极上SWNT薄膜的电化学拉曼光谱实验

§4.1引言

§4.2实验

§4.3结果与讨论

§4.4本章小结

参考文献

第五章SWNT在Li离子电池中行为变化的原位拉曼光谱研究

§5.1引言

§5.2实验仪器与准备

§5.3结果与讨论

5.3.1第一周充放电过程中SWNT拉曼光谱的变化

5.3.2多次充放电对SWNT结构的影响

§5.4本章小结

参考文献

第六章吗啡分子的表面增强拉曼光谱研究

§6.1引言

§6.2实验

§6.3结果与讨论

§6.4本章小结

参考文献

硕士期间发表和完成的论文

致谢