层状双金属氢氧化物催化生长碳基材料及其电化学性能研究

摘要

碳纳米管及碳纤维作为碳基材料中最重要的组成部分，不仅传承了纳米材料优越的物理化学性能，并且由于自身特殊的石墨层结构产生了许多优异的电子传导、高抗腐蚀性和高稳定性等优势广泛的应用于诸多领域中，例如传感器、半导体、催化剂及其催化剂载体、储氢材料、超级电容器、生物医药等领域。对于发展简单、绿色、高效、可控的制备方法，获得多功能、结构可调，性能可控的此类碳基材料，具有重要的科学价值与实践意义。在众多影响碳基材料生长的各种因素当中，碳基材料所用催化剂的性质、组成及其微观结构最为关键。而这将影响所得碳基材料的形貌、结构等性质，最终决定碳基材料在应用方面的各种性能。因此，人们不断地积极探索多种形貌碳基材料和所用催化剂的简易制备方法和对其结构与组成的影响，从而进行碳基材料的可控制备，以期获得高质量、高性能的碳基材料。
　　 水滑石(Layered Double Hydroxide，简写为LDHs)是一类具有特殊层状结构的层状双羟基金属氢氧化物材料。由于LDHs存在着晶格能最低效应及晶格定位效应，使不同种类的金属离子以一定方式均匀分布在层板上。水滑石前驱体在高温焙烧后得到的复合金属氧化物中金属离子保持与前驱体一致的分布。因此，利用LDHs作为前驱体可以制备得到均匀分散的活性金属粒子，高效的生长碳基材料。
　　 本论文利用水滑石层板中金属离子在原子级别上高度分散的特点制备了一系列含特定活性组分的LDHs材料，并提出了水滑石焙烧产物LDO为前驱体，通过化学气相沉积法(CCVD)的制备，合成一系列管径均匀的多壁碳纳米管(直壁碳纳米管和螺旋碳纳米管)。通过研究不同温度和不同活性组分对水滑石焙烧产物的影响，进而研究对其碳纳米管形貌和结构的影响。水滑石前驱体法制备碳材料不仅克服了单元活性金属粒子容易在反应过程中烧结，使催化剂失去活性的缺点，还可以通过控制水滑石中不同比例的金属组分来实现对碳纳米管形貌生长的控制。此种制备方法操作简便，可控、环境友好。
　　 本论文还提供一种原位制备碳纳米管的方法。此方法利用水滑石直接作为催化剂，乙炔作为还原剂和碳源，一步法生长碳基材料。在反应中以原位生长得到的尖晶石型金属氧化物作为载体支持所还原的金属粒子分散，而金属氧化物也在此过程中被生长的碳纳米管所分散，负载在碳纳米管管壁的表面。原位合成的碳基材料中碳纳米管和金属氧化物之间均匀分散，相互作用力较强，且各组分之间的比例可以通过控制反应条件来得到。此方法操作简便，表面含有大量的缺陷和含氧官能将有利于提高碳纳米管材料的性能。
　　 利用水滑石层板组成和结构的可调控性向层板中引入不同的活性组分和助活性组分，一步法生长具有特殊结构的碳纤维。通过对不同反应条件的研究，最优化制备多种形貌碳纤维，包括亚微米级直壁碳纤维(SSCFs)、螺旋碳纤维(扭状螺旋碳纤维CNCs和双螺旋碳纤维CMCs)、花边型碳纤维(LCFs)。
　　 最后利用以上合成的多形貌碳基材料作为Pt粒子载体制备复合电催化剂应用于甲醇、乙醇电催化氧化当中，拥有较高的电化学活性和抗中毒性能。这是由于所合成的碳基材料不同的形貌、微观结构以及表面所负载的含氧官能团共同作用而导致的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一篇 绪论

1.碳基材料的研究现状

1.1碳基材料的分类及其性质

1.2碳基材料的制备

1.3影响碳基材料生长的因素

1.4碳基材料的性能和应用

1.5碳基材料的生长机理

2.层状双金属氢氧化物(LDHs)

2.1 LDHs的结构

2.2 LDHs的制备方法

2.3 LDHs的性质

2.4 LDHs的应用

3直接醇类燃料电池(DAFC)

3.1直接醇类燃料电池DMFC的目前研究概况

3.2直接醇类燃料电池DMFC发展中存在的问题

3.3提高阳极催化剂的方法

3.4直接甲醇燃料电池(DMFC)

3.5直接乙醇燃料电池(DEFC)

4论文选题的目的及意义

4.1论文选题的目的及意义

4.2论文研究内容

参考文献

第二篇实验部分

1.1实验原料

1.2样品的结构表征、组成及性能分析

1.2.1 X射线衍射分析(XRD)

1.2.2低温氮气吸—脱附实验(BET)

1.2.3热重分析(TG-DTA)

1.2.4透射电镜分析(TEM)

1.2.5扫描电镜分析(SEM)

1.2.6扫描电镜—能量散射谱分析(SEM-EDX)

1.2.7 X射线光电子能谱分析(XPS)

1.2.8拉曼光谱的分析(RAMAN)

1.2.9电化学工作站

第三篇复合金属氧化物(LDO)催化制备碳纳米管的研究

引言

第一章复合金属氧化物焙烧温度对碳纳米管生长的影响

1.1引言

1.2实验部分

1.3结果与讨论

1.4小结

第二章 复合金属氧化物组成对碳纳米管微观结构的影响

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4碳纳米管生长机理的研究

2.5小结

参考文献

第四篇层状双金属氢氧化物一步法制备多壁碳纳米管及其结构和组成的研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1 LDHs前驱体的制备

4.2.2碳纳米管材料的制备

4.3结果与讨论

4.3.1 LDHs的XRD表征

4.3.2碳纳米管材料的表征

4.4小结

参考文献

第五篇层状双金属氢氧化物可控制备碳纤维材料的研究

引言

第一章层状双金属氢氧化物制备亚微米级碳纤维及其结构的研究

1.1引言

1.2实验部分

1.3结果与讨论

1.4小结

第二章 层状双金属氢氧化物制备螺旋碳纤维的研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4小结

参考文献

第六篇碳基材料电催化氧化性能的研究

6.1 引言

6.2实验部分

6.2.1 Pt／碳纳米管复合电催化剂的制备

6.2.2 Pt／碳材料复合电催化剂的制备

6.3结果与讨论

6.3.1 Pt／碳纳米管复合电催化剂的乙醇电催化氧化研究

6.3.2小结

6.3.3 Pt／碳纤维复合电催化剂对甲醇、乙醇电催化氧化的研究

6.3.4小结

参考文献

第七篇 结论

本论文创新点

致 谢

攻读博士学位期间发表论文

作者和导师简介