發(fā)布時(shí)間：2020-05-17 05:28

【摘要】：直流電弧等離子體法作為一種納米材料制備方法,具有操作方便、安全可靠、可控性高、高的熱性能、高的化學(xué)活性、極快的冷卻速度和反應(yīng)氣氛可控等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),近幾年碳納米材料因其優(yōu)異的性能,已引起科研工作者的關(guān)注�，F(xiàn)今,直流電弧等離子體法通過(guò)控制反應(yīng)氣氛、反應(yīng)壓力、催化劑的種類(lèi)以及收集位點(diǎn)的不同,已制備出富勒烯、碳納米管、石墨烯、碳納米角和不定型碳球等碳納米材料。然而,不同的科研工作者在同種氣氛、同一收集位點(diǎn)得到了不同的碳納米材料,這對(duì)直流電弧等離體法制備碳納米材料機(jī)理的研究造成了困難。本文通過(guò)在氮?dú)狻錃夂蜌鍤鈿夥障轮苽涑鎏技{米角、石墨烯和不定型碳球,來(lái)探究電弧等離子體法制備碳納米材料的生長(zhǎng)機(jī)理。首先,在氫氣下,制備出片層尺寸為200~400 nm、層厚為2~4且結(jié)晶度好的石墨烯片層;而在氮?dú)鈿夥障碌玫骄奂笮?0~80 nm球型、“大麗花”狀的碳納米角;在氬氣氣氛下得到了尺寸為30~80 nm的不定型碳球。同時(shí),在上述三種氣氛下,探究了四種不同壓力,分別為40、50、60和70 KPa對(duì)碳納米材料形貌的影響。得出:隨著壓力的上升,氫氣下制備的石墨烯純度更高、層數(shù)更少,氮?dú)庀轮苽涞奶技{米角純度更高,氬氣下制備的碳球有向碳納米角轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。在三種混合氣體中,氫氣/氮?dú)�、氫�?氬氣條件下均制備出石墨烯,而在氮?dú)?氬氣氣氛下得到了碳納米角。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得出直流電弧等離子體法制備碳納米材料的生長(zhǎng)機(jī)理:在氬氣氣氛下,氬原子很難與碳簇發(fā)生反應(yīng),僅碳簇隨即結(jié)合經(jīng)冷凝-成核-長(zhǎng)大而形成不定型碳球;在氫氣氣氛下,碳簇與氫結(jié)合而成鍵,而形成的鍵阻礙了片層的彎曲,利于形成片層結(jié)構(gòu)的石墨烯;在氮?dú)鈿夥障?氮摻雜進(jìn)入碳簇中,引起石墨片層彎曲,而形成碳納米角,隨著遠(yuǎn)離電弧中心區(qū),單根碳納米角聚集成球形聚集體。通過(guò)在氮?dú)�、氫氣和氬氣氣氛下在不同壓力下制備出碳納米角、石墨烯和不定型碳球;同時(shí),在氫氣/氮?dú)�、氫�?氬氣三種混合氣氛下制備出石墨烯和碳納米角。從而,推理出直流電弧等離子體法制備碳納米材料的機(jī)理:氫是石墨烯片層生成的關(guān)鍵,而氮是碳納米角產(chǎn)生的關(guān)鍵。為直流電弧等離子體法制備碳納米材料指明了方向,也為大規(guī)模制備石墨烯、碳納米角打下了基礎(chǔ)。
【圖文】：

第一章 緒論我們知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有 sp、sp2、sp等多種軌道雜化特性。因此，以碳為基礎(chǔ)的納米材料是多種多樣的，包括常見(jiàn)的石墨和金剛石，還包括近幾年比較熱門(mén)的碳納米管、碳納米線、富勒烯和石墨烯等新型碳納米材料[7]。從 1985年富勒烯(Fullerene)的出現(xiàn)到 1991年碳納米管(carbon nanotube，CNT的發(fā)現(xiàn)，碳納米材料所具有的獨(dú)特物理和化學(xué)性質(zhì)引起了國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛而深入的研究，二十年來(lái)取得了很多的成果。2004 年 Geim 研究組的報(bào)道使得石墨烯成為碳納米材料新一輪的研究熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)豐富了碳納米材料家族，石墨烯是由碳原子組成的單層蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)，由于它只有一個(gè)原子的厚度，可以將其視為形成其它各種維度的石墨相關(guān)結(jié)構(gòu)碳材料的基本單元，石墨烯既可卷曲形成零維的富勒烯及卷曲形成一維的碳納米管，亦可堆積形成石墨[8]。圖 1.1 為常見(jiàn)碳的同素異形體結(jié)構(gòu)圖。

2.1 實(shí)驗(yàn)器材及原料實(shí)驗(yàn)器材 如圖 2.1 所示所示，為直流電弧制備碳納米材料的實(shí)驗(yàn)裝置圖。從圖中可以看出直流電弧制備碳納米材料的裝置主要包括五個(gè)部分：一、處于中心部位的反應(yīng)腔體，腔體為空心結(jié)構(gòu)使得冷卻水能夠流通整個(gè)腔體，在氣體中間下部為銅基體，用于固定陽(yáng)極石墨棒，陰極石墨棒處于腔體的上部與陽(yáng)極正對(duì)豎直放置；二、為冷卻循環(huán)水箱，在反應(yīng)時(shí)用于冷卻腔體；三、為氣體系統(tǒng)，，主要包括三種氣體：氬氣、氮?dú)馀c氫氣，通過(guò)控制不同的氣體，不同壓力與不同的氣體配比來(lái)探究氣氛與壓力對(duì)直流電弧制備碳納米材料的影響；四、電源系統(tǒng)，主要是提供反應(yīng)時(shí)的電，同時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電流，來(lái)探究電流對(duì)直流電弧制備碳納米材料的影響；五、為真空泵系統(tǒng)，這部分提供反應(yīng)腔的真空狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)原料：純度為 99.99%，10 mm×10 mm 的高純石墨棒若干根，純度為99.99%的氬氣、純度為 99.99%的氮?dú)�、純度�?99.99%的氫氣。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李素萍;關(guān)懷民;朱樹(shù)蕓;GILANI Muhammad Rehan Hassan Shah;HANIF Saima;徐國(guó)寶;童躍進(jìn);;單壁碳納米角電化學(xué)應(yīng)用[J];電化學(xué);2014年06期

2 林峰;蔣燕麟;文永鵬;張健偉;;直流電弧等離子體制備納米粉技術(shù)及其應(yīng)用[J];大眾科技;2012年01期

3 承倩怡;周鼎;韓寶航;;碳納米材料的超分子表面修飾及應(yīng)用[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2011年09期

4 王春雷;馬丁;包信和;;碳納米材料及其在多相催化中的應(yīng)用[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年09期

5 鐘煒;楊君友;段興凱;朱文;樊希安;鮑思前;;電弧等離子體法在納米材料制備中的應(yīng)用[J];材料導(dǎo)報(bào);2007年S1期

6 程立強(qiáng);劉應(yīng)亮;張靜嫻;袁定勝;徐常威;孫廣輝;;球形碳材料的研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2006年10期

7 朱杰,孫潤(rùn)廣;原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J];生命科學(xué)儀器;2005年01期

8 柏冬;富勒烯化合物研究進(jìn)展[J];棗莊師范�？茖W(xué)校學(xué)報(bào);2004年02期

9 劉詩(shī)貴,賴志華;納米材料的制備進(jìn)展[J];江西化工;2003年03期

10 閆小琴,張瑞珍,衛(wèi)英慧,市野瀨英喜,許并社;富勒烯制備方法研究的進(jìn)展[J];新型炭材料;2000年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 孫棟梁;等離子體制備與改性碳材料[D];蘇州大學(xué);2016年

2 徐彥輝;納米材料的直接電化學(xué)制備及電化學(xué)生物傳感器的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 陳皮偉;氧化還原法制備石墨烯的研究[D];南昌大學(xué);2014年

2 張嬌;單壁碳納米角在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用[D];曲阜師范大學(xué);2014年

3 齊俊杰;水溶性刺激響應(yīng)碳納米角的制備與表征[D];天津大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2668015