电纺碳纳米纤维及其复合材料的制备与性质研究

摘要

碳纤维(CFs)具有高强度、高模量、低密度的特点，它耐高温、耐腐蚀，具有很好的导电和导热性能；利用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维具有独特的一维纳米结构和极高的长径比。这些优异的特性使得碳纤维的应用领域非常广泛，同时，以碳纤维为载体制备纳米复合材料也成为一项重要的研究方向。
　　 金属氧化物半导体光催化剂作为一项绿色技术，已经引起了越来越多的关注。它们被广泛的应用于处理环境污染，降解空气和水中的有机污染物。当一定能量的光照射到半导体表面时，半导体吸收光子，价带上的电子受到激发，跃迁到导带，从而在价带上留下带正电的空穴，产生的电子一空穴对是光催化反应的重要因素，因此减缓光生电子和空穴的再结合，可以使催化剂的光催化活性增强。氧化锌(ZnO)是一个重要的多功能n型半导体，具有高的带隙能，因此它们被认为是理想的光催化材料。
　　 本文通过静电纺丝技术制备了聚丙烯腈(PAN)纳米纤维，再经过预氧化过程和碳化过程制得碳纳米纤维(CNFs)。在整个制备过程的不同阶段取样，进行跟踪检测，得出PAN基碳纤维制备过程中的微观变化，碳纤维的形成有四个重要阶段，分别是PAN原丝的制备、预氧化过程、600℃之前的低温碳化过程中和600℃之后的高温碳化过程。制得的碳纤维表面化学活性低，将其浸泡在浓硝酸中，进行表面活化处理，使其表面出现羟基和羧基等多种官能团，由于这些官能团的出现，碳纤维由超疏水材料转变成亲水材料。经过表面活化的碳纤维作为催化剂载体，这些表面官能团为催化剂在碳纤维上的生长提供活性位点。
　　 将上述制得的碳纳米纤维作为载体材料，分别通过水热法和气相输运法，制备CNFs/ZnO复合纳米材料。通过水热法制得的复合材料，ZnO形貌为纳米粒子，其粒径为29nm左右；而通过水热法制得的复合材料，ZnO形貌为纳米棒，其粒径为35nm左右。然后将气相输运法制得的复合材料做光催化研究，在紫外灯照射下降解罗丹明B的水溶液，光催化性能研究表明，CNFs/ZnO复合材料具有高的光催化活性。碳纳米纤维具有一维纳米结构，比表面积高，它对催化剂起到固定的作用，在溶液中可以使催化剂更加分散，而不产生局部聚集的现象，这类催化剂具有优良的可分离和重复使用性能；同时，由于碳纤维的导电性能很好，碳纤维可及时将半导体的光生电子转移，缩短光生电子与空穴的复合时间。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 碳纤维材料概述

1.1.1 碳纤维的用途和发展

1.1.2 碳纤维的分类

1.1.3 碳纤维的结构和性质

1.1.4 碳纤维的制造方法

1.2 静电纺丝技术

1.2.1 静电纺丝技术原理

1.2.2 影响静电纺丝的因素

1.2.3 静电纺丝技术制备碳纤维

1.3 碳纤维复合材料概况

1.4 本文立题思想

第二章 碳纳米纤维的制备及表征

2.1 前言

2.2 实验仪器和药品

2.2.1 主要仪器

2.2.2 药品

2.3 静电纺丝制备碳纳米纤维

2.3.1 聚丙烯氰原丝的制备

2.3.2 碳纳米纤维的制备与活化处理

2.4 结果与表征

2.4.1 扫描电镜(SEM)照片

2.4.2 X射线粉末衍射

2.4.3 红外光谱[4l] 16

2.4.4 拉曼光谱

2.4.5 接触角测试

2.5 小结

第三章 碳纤维与氧化锌复合材料的制备、表征及光催化性质研究

3.1 前言

3.2 实验仪器和药品

3.2.1 主要仪器

3.2.2 药品

3.3 水热法制备CFs/ZnO复合物

3.3.1 实验过程

3.3.2 结果与表征

3.3.3 小结

3.4 气相输运法制备CFs/ZnO复合物

3.4.1 实验过程

3.4.2 结果与表征

3.4.3 CFs/ZnO复合材料的光催化性能

3.4.4 小结

3.5 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

在学期间公开发表论文及著作情况