基板法铜粒子催化合成纳米碳纤维阵列的研究

摘要

自纳米碳纤维发现以来，由于它在纳米技术领域起着重要的作用，因而引起了科学家们的极大的兴趣。纳米碳纤维(Carbon nanofibers，简称CNFs)是一种新型纳米材料，其直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间，因此不但具有气相生长碳纤维所具有的特性，而且具有长径比大、独特的机械、电学以及热学性能等优点，在双电层电容器电极、锂离子二次电池阳极材料、结构增强材料、电化学探针等方面具有巨大的应用前景。
　　 在本文中，在低温下利用各种不同的催化剂前躯体在不同的金属基体上催化热解乙炔制备出了纳米碳纤维。研究了影响纳米碳纤维形貌的因素，包括反应温度、反应时间、催化剂前躯体在金属基板上负载时间以及升温速率等。并通过扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、红外(IR)等测试设备研究了纳米碳纤维的形貌和结构，并且讨论了纳米碳纤维的生长机理。
　　 结果：发现：制备出的纳米碳纤维有三种形貌，阵列生长纳米碳纤维；螺旋纳米碳纤维，线形纳米碳纤维。以乙炔为反应气体，酒石酸铜和铜溶胶为催化剂前驱体分别负载在铁基体和铜基体上均能制备出阵列生长形貌的纳米碳纤维；铜溶胶为催化剂前驱体负载在铁基板和铝基板上制备出了线形纳米碳纤维；酒石酸铜为催化剂前驱体负载在铜基板和铝基板上催化生长了既有线形也有螺旋形貌的纳米碳纤维。
　　 通过进一步研究发现：随着反应时间的延长，制备的纳米碳纤维长度越长，且保持纤维直径不变；减小升温速率有利于纤维长度的增加；催化剂前躯体在金属基体上负载时间对纤维形貌有较大影响，负载时间越长纤维阵列生长趋势越明显；反应温度对催化剂前躯体负载在不同金属基板上催化生长的纳米碳纤维形貌有不同的影响。
　　 另外，在铜溶胶和洒石酸铜催化热解乙炔制备纳米碳纤维时，反应过程中起催化作用的是铜纳米颗粒。