碳纳米管/SnO2纳米复合材料的制备、表征与应用研究

摘要

自从碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)被发现以来,碳纳米管作为一种新型碳材料,因其独特的物理化学性质而倍受关注。碳纳米管的应用范围涉及到纳米制造、纳米器件、生物医药、化学、物理、复合材料、储能材料和电子源等众多领域。目前已经发展了数十种CNTs的制备方法,其中热化学气相沉积法(CVD)以其效率高和成本低的优势而被广泛使用。催化剂的制备是热CVD法合成CNTs的关键因素之一,目前使用较多的仍然是Fe、Co、Ni以及它们的合金等催化剂,研究其它新型的催化剂以便制备不同于常规CNTs的新型碳材料是目前的研究热点之一。另外对基于CNTs的纳米复合材料的研究表明,CNTs可以与聚合物、金属和金属氧化物等形成具有独特理化性质的纳米复合材料,在材料领域中有着重要的应用前景。为此本文围绕新型碳材料的制备和CNTs的修饰展开,采用溶液共混法制备了Mo/MgO催化剂,并采用热CVD法制备出一种密堆积多壁碳纳米管束;采用溶液法制备了金属掺杂和未掺杂的碳纳米管/SnO2(CNT/SnO2)纳米复合材料,以此为前驱体,制备了一维SnO2纳米管、SnO2纳米线和纳米带,并详细的研究了其气敏性能。主要工作归纳如下:
　　1.首次采用溶液共混法制备了一种新型的Mo/MgO催化剂,并采用热CVD法,以甲烷为碳源,Ar气和H2气为载气,制备出一种结构新颖的密堆积多壁碳纳米管束,并对其结构进行了详细表征。另外通过控制CVD沉积时间,研究了这种密堆积多壁碳纳米管束的生长过程,结合沉积初期的产物成份分析结果,提出了其生长机理并进行了验证。
　　2.采用溶液法制备了CNT/SnO2纳米复合材料,并对其气敏性能进行了研究。通过考察复合材料制备时间和煅烧温度对其气敏性能的影响,研究了CNT/SnO2复合材料的结构与其气敏性能之间的关系,结果显示碳纳米管和SnO2纳米颗粒之间的作用力对复合材料的气敏性有重要影响,反应2小时制备的复合材料中CNTs与SnO2纳米颗粒之间的结合力最强,并具有最佳的气敏性能。
　　3.以CNTs为模板,在CNT/SnO2纳米复合材料的基础上,通过热处理除去CNTs制备了多孔SnO2纳米管,结构表征结果显示这种SnO2纳米管是由5至7纳米的SnO2颗粒组成,而且SnO2颗粒之间存在大量的中孔,平均孔经约为5纳米。气敏性能测试结果显示,SnO2纳米管对还原性气体具有非常高的响应灵敏度,在200℃的工作温度下,对100 ppm的乙醇和丙酮的响应灵敏度高达130和126;另外通过控制CNT/SnO2纳米复合材料的制备时间,得到了结构可控的多孔SnO2纳米管,并对SnO2纳米管的结构和其气敏性之间的关系进行了初步的探讨。
　　4、采用溶液法制备了Fe掺杂的CNT/SnO2纳米复合材料,并以此为前驱体通过在Ar气保护下高温煅烧,在复合材料上原位制备出SnO2纳米线和纳米带。通过控制煅烧时间研究了其生长过程和生长机理,结果表明SnO2纳米线和纳米带的生长属于气-液-固机理;另外研究了SnO2纳米线和纳米带的气敏性能。

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第一章绪论

1.1碳纳米管概述

1.2碳纳米管的制备

1.3碳纳米管的修饰

1.4一维SnO2纳米材料的制备

1.5本论文的主要工作

第二章密堆积多壁碳纳米管束的制备与生长机理研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

参考文献

第三章多孔SnO2纳米管的制备与气敏性研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4结论

参考文献

第四章一维SnO2纳米材料的制备及其性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4结论

参考文献

第五章 结论与展望

5.1全文总结

5.2展望

读博期间发表的学术论文

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