微尺度碳/无机复合材料及氮化物的制备、结构和性能

摘要

本文旨在探索微尺度碳/无机复合材料、碳材料的化学合成新方法，研究反应机理。利用超临界流体技术，成功制备了多种微尺度碳/硫化物复合材料，含硫富碳材料以及碳纳米纤维，并进一步研究了电化学储锂性质；采用简单的低温溶剂热路线得到了多种形态的非晶碳纳米管、三维非晶碳纳米管网格：通过醇热催化路线大量制备了高质量的包裹金属钴的碳纳米管和竹节状的碳纳米管。此外，还通过低温固相反应的方法制备了多种铬族氮化物纳米材料。详细内容归纳如下： 1.创新性的提出一种超临界CS<,2>体系制备碳纳米管填充金属硫化物复合材料的方法。a)采用二茂铁作为催化剂，通过一步合成的方法在超临界CS<,2>中成功制备了碳纳米管连续填充单晶FeS<,2>纳米线复合材料，在分析实验结果的基础上详细对其形成机理进行了研究，并对这种新颖的复合材料热稳定性、光学和电化学性质进行了测试和分析；b)在制备碳纳米管填充FeS<,2>纳米线复合材料的基础上，通过选用二茂钴作为催化剂和调整实验参数，我们还合成了包裹球形CoS<,2>颗粒碳球和碳纳米管填充CoS<,2>纳米棒复合材料。该方法还可能被用来合成其他的硫化物/碳复合材料；c)在超临界CS<,2>中还合成了花状和棒状的含硫富碳材料、碳纳米纤维，电化学性能测试表明花状含硫富碳材料具有较高的放电容量，有可能成为一种新型的正极材料。 2.发展了一条简单的低温溶剂热路线制备多种形态的非晶碳纳米管。a)通过二茂铁与CCl<,4>、C<,2>Cl<,4>或C<,4>Cl<,6>之间的反应在180℃大量制备了多种形态的非晶碳纳米管，研究发现反应副产物Fe起到重要的模板作用；b)在以上体系中通过引入多孔泡沫镍，进一步合成了夹角为90°的三维碳纳米管网格，我们对其反应机理进行了初步的研究。这些新颖的网格结构具有很大的比表面积，在催化剂载体、储氢、纳米器件等方面有着潜在的应用前景。通过溶液化学还原方法在三维碳纳米管网格上成功均匀沉积了金属Ag颗粒制得三维碳纳米管网格/银复合材料，并对其常温下对NH<,3>的气敏性进行了测试；c)采用二茂钴代替二茂铁，类似条件下合成了触角状非晶碳纳米管，丰富了对碳材料的认识。 3.提出了醇热催化路线，以甲醇或无水乙醇作为碳源和溶剂，二茂钴作为催化剂，在500℃大量制备了高质量的包裹金属钴的碳纳米管或竹节状的碳纳米管。这些工作对理解碳纳米管的催化生长机制作出了有益的帮助。 4.在不使用溶剂的情况下，我们利用NaNH<,2>与无水金属氯化物MCl<,n>在低温下(220-250℃)反应，制备了多种铬族氮化物纳米材料。在250℃制备了CrN树枝晶和纳米线束，并对其反应机理进行了仔细的研究；通过调节反应体系的散热速度，我们成功控制合成了高温立方相W<,2>N薄片和低温六方相WN实心球，为合成亚稳相化合物提供了很好的借鉴；此外，在类似的条件下，我们还合成了空球状和花生状的立方相Mo<,2>N。该反应体系的设计对于低温合成氮化物具有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章碳基纳米材料研究进展

§1.1引言

§1.2碳材料的研究进展

§1.2.1碳的存在形式

§1.2.2碳的结构和性质

§1.2.3碳材料的合成方法

§1.3碳基纳米复合材料的研究进展

§1.3.1纳米复合材料的概述

§1.3.2碳纳米管复合材料研究进展

§1.4本论文中涉及的材料表征技术简介

§1.4.1成分分析

§1.4.2结构和形态分析

§1.4.3性质分析

§1.5本章小结

参考文献

第二章超临界二硫化碳体系制备碳基复合材料

§2.1引言

§2.2碳纳米管连续填充FeS2纳米线复合材料的制备、表征和性能研究

§2.2.1反应路线设计

§2.2.2实验过程与表征方法

§2.2.3产物表征

§2.2.4反应机理研究

§2.2.5碳纳米管连续填充FeS2纳米线的电化学储锂性质

§2.3包裹球形CoS2颗粒碳球复合材料的制备、表征和电化学储锂研究

§2.3.1引言

§2.3.2实验过程与表征方法

§2.3.3实验结果与讨论

§2.3.4包裹球形CoS2颗粒碳球复合材料的电化学储锂性质

§2.4花状、棒状含硫富碳材料的制备、表征和电化学储锂研究

§2.4.1引言

§2.4.2花状含硫富碳材料的制备与表征

§2.4.3棒状含硫富碳材料的制备与表征

§2.4.4花状、棒状含硫富碳材料的BET和电化学储锂性质研究

§2.5本章小结

参考文献

第三章低温溶剂热反应制备多种形貌的非晶碳纳米管

§3.1引言

§3.2非晶碳纳米管的制备、表征及性能研究

§3.2.1反应路线设计

§3.2.2实验过程与表征方法

§3.2.3实验结果与讨论

§3.2.4反应机理研究

§3.2.5非晶碳纳米管的BET、热稳定性研究

§3.3三维非晶碳纳米管网格的制备、表征和性质

§3.3.1引言

§3.3.2实验过程与表征方法

§3.3.3实验结果与讨论

§3.3.4三维非晶碳纳米管网格的BET和气敏性研究

§3.4本章小结

参考文献:

第四章醇热催化反应制备碳纳米管

§4.1引言

§4.2包裹金属钴的碳纳米管的制备与表征

§4.2.1反应路线设计

§4.2.2实验过程与表征方法

§4.2.3实验结果与讨论

§4.2.4结论

§4.3竹节状碳纳米管的制备与表征

§4.3.1实验过程与表征方法

§4.3.2实验结果与讨论

§4.3.3结论

§4.4本章小结

参考文献

第五章非溶剂热制备铬族金属氮化物

§5.1引言

§5.2 CrN树枝晶和纳米线束的非溶剂热控制合成

§5.2.1引言

§5.2.2实验过程与表征方法

§5.2.3产物表征

§5.2.4反应机理研究

§5.3立方和六方相氮化钨的控制合成

§5.3.1引言

§5.3.2实验过程与表征方法

§5.3.3实验结果与讨论

§5.3.4反应机理研究

§5.4本章小结

参考文献

博士期间完成的工作

致谢