预混火焰合成碳纳米管的实验研究及燃烧过程数值模拟

摘要

碳纳米管(CNTs)具有独特的分子结构，力学性能，电磁性能，热学性能和储氢性能优异，在各个领域的应用十分广泛。目前，合成碳纳米管的方法有:石墨电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法等，然而，这些方法的合成，设备复杂，工艺标准要求高，使得合成的碳纳米管质量、产量、纯度等都比较低，无法大规模满足工业应用和实际需要。火焰法利用碳氧化合物燃烧，一方面提供足够的热源，另一方面提供碳源，并通过催化剂的作用生成出碳纳米管，采用火焰法合成碳纳米管投入成本低、装置简单、合成条件简便、反应快速，有望实现碳纳米管的大规模生产。所以，开展火焰合成碳纳米管的研究具有重要的学术价值和应用价值。
　　在介绍和分析国内外相关研究动态的基础上，采用乙炔300sccm、甲烷30sccm、氮气1570sccm、空气1100sccm进行预混燃烧合成碳纳米管的实验研究。论文首先利用反应动力学仿真分析软件CHEMKIN对混合气体乙炔/甲烷/氮气/空气预混燃烧过程进行数值计算，模拟了燃烧过程中沿火焰中心轴方向上的温度分布，与实验测量数据进行对比，验证了模拟对象的合理性;通过综合分析主要反应物、中间组分、生成物的摩尔浓度变化情况，判定得到了能够合成出碳纳米管的火焰区域为15～20mm，并通过实验验证，将涂覆0.1 mol/L、1.0mol/L硝酸镍的铜基板插入火焰高度16mm处，取样时间5分钟，成功合成了品质较好的碳纳米管，证明了数值模拟预判合成碳纳米管区域的准确性，提高了实验效率和成功率，对实验研究起到了很好的指导和促进作用。
　　实验中，研究了乙炔和甲烷作为燃料对合成碳纳米管的影响，分析了涂覆不同浓度的硝酸镍、硝酸铁作为催化剂以及不同基板对合成碳纳米管的影响。研究表明，添加甲烷有助于降低乙炔的消耗速率，提高催化剂的催化活性，同时也抑制了碳黑的形成，为碳纳米管生长提供了适宜的环境;涂覆0.01mol/L、0.1 mol/L、1.0mol/L硝酸铁作为催化剂只能合成出碳纳米纤维等物质而没有发现碳纳米管的生成;硝酸镍浓度为0.1 mol/L和1.0mol/L时能合成形态和结构都较理想的碳纳米管;含镍催化剂可以促进碳纳米管的生成，在选择不同基板进行合成实验时，采用含镍8％～11％左右的304不锈钢网作为基板和催化剂，也成功合成出了碳纳米管。
　　本论文分析得出了影响碳纳米管生成的相关因素及其影响规律，优化了乙炔和甲烷作为燃料开展火焰法合成碳纳米管的实现方法和条件，为碳纳米管的宏量及高质量制备提供了理论基础和技术原型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米技术与材料概述

1．1．1 纳米技术

1．1．2 纳米材料

1．1．3 碳纳米管概述

1．2 碳纳米管结构

1．3 碳纳米管的合成方法

1．4 火焰法合成碳纳米管

1．4．1 燃烧和火焰

1．4．2 火焰法制备碳纳米管的研究现状

1．4．3 火焰法制备碳纳米管的数值模拟

1．5 本课题的研究意义和研究内容

第二章 实验条件和方法

2．1 实验条件和方法

2．1．1 合成碳纳米管的实验装置

2．2 实验过程

2．2．1 实验材料

2．2．2 催化剂制备

2．2．3 金属基板的处理

2．2．4 实验步骤

2．3 测量方法和表征手段

2．3．1 温度测量

2．3．2 纳米材料检测设备

2．3．3 影像处理系统

2．4 本章小结

第三章 火焰法合成碳纳米管的区域判定

3．1 火焰特性与火焰形态分析

3．2 预混合燃烧过程的数值模拟

3．2．1 CHEMKIN软件介绍

3．2．2 CHEMKIN软件结构组成

3．2．3 CHEMKIN软件运行步骤

3．2．4 基本控制方程

3．2．5 化学动力学反应机理

3．2．6 模型的实验验证

3．3 结果分析及碳纳米管合成区域判定

3．3．1 组分C浓度场分析

3．3．2 反应物分析

3．3．3 中间组分分析

3．3．4 生成物分析

3．4 结论

第四章 火焰法合成碳纳米管的实验研究

4．1 碳纳米管的生长模式

4．2 实验过程

4．2．1 燃料对合成碳纳米管的影响

4．2．2 催化剂种类及浓度对合成碳纳米管的影响

4．2．3 不同基板对合成碳纳米管的影响

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

硕士期间申请的专利