【摘要】：碳納米管是一種完全由碳原子構(gòu)成的一維材料。由于其獨(dú)特的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)以及化學(xué)性能,碳納米管一經(jīng)發(fā)現(xiàn),便在科學(xué)界引起了廣泛的關(guān)注。本文利用電弧放電方法,以廉價(jià)的石油瀝青和焦炭為原料,鐵粉為催化劑在不同的放電氣氛環(huán)境下制備碳納米管,不僅實(shí)現(xiàn)了石油瀝青和焦炭的高附加值利用,而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳納米管層數(shù)的精確調(diào)控。此外,我們還探討了不同碳納米管的生成條件。利用碳納米管半導(dǎo)體性質(zhì)以及電弧放電會(huì)使金屬催化劑變成金屬納米顆粒附著在碳納米管表面的性質(zhì),我們將其應(yīng)用于兩個(gè)清潔能源領(lǐng)域——太陽(yáng)能電池和汽柴油加氫脫硫。主要研究結(jié)果如下:實(shí)現(xiàn)了以石油瀝青和焦炭為原料,單層、雙層和三層碳納米管的可控制備。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)電弧放電氣體氛圍為氦氣時(shí),以石油瀝青或焦炭為原料,均生成單壁碳納米管。當(dāng)放電氣體氛圍為氮?dú)鈺r(shí),以石油瀝青為原料,在陽(yáng)極碳棒頭部收集到的為雙壁碳納米管,而當(dāng)以石油焦炭為原料時(shí),生成的產(chǎn)物為單壁和雙壁碳納米管的混合物,混合比例大約為1:1。當(dāng)放電氣體氛圍為氬氣時(shí),分別以石油焦炭和瀝青為原料可以可控地制備出高純度的雙壁和三壁碳納米管。值得注意的是,以石油瀝青為原料時(shí),生成的碳納米管產(chǎn)量均十分低下,但是以石油焦炭為原料時(shí),產(chǎn)量較高,尤其是在制備石油焦炭基雙壁碳納米管時(shí),其產(chǎn)率最高,達(dá)到了7.82%。由于石油焦炭基單壁和雙壁碳納米管薄膜均呈現(xiàn)出p型半導(dǎo)體的性質(zhì),我們將其與硅片相結(jié)合構(gòu)建出單壁和雙壁碳納米管基太陽(yáng)能電池。在400-940 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),相同功率的光照射后發(fā)現(xiàn),單壁碳納米管基太陽(yáng)能電池(SWCNTs/Si)展現(xiàn)出優(yōu)于雙壁碳納米管基太陽(yáng)能電池(DWCNTs/Si)的光電性能。對(duì)于SWCNTs/Si來(lái)說(shuō),輸出功率對(duì)波長(zhǎng)為630 nm和940 nm的光十分敏感。而DWCNTs/Si的最大輸出功率則出現(xiàn)在880 nm。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)相同,功率不同時(shí),隨著功率增加,兩種太陽(yáng)能電池的開路電壓和短路電流均逐漸升高并趨于一個(gè)穩(wěn)定值,光電轉(zhuǎn)化效率均逐步降低。在1310 nm的紅外光照射下,這兩種太陽(yáng)能電池的短路電流值大約相同,但是由于具有窄帶隙的雙壁碳納米管更有利于吸收紅外光,導(dǎo)致雙壁碳納米管基太陽(yáng)能電池的開路電壓約為單壁碳納米管基太陽(yáng)能電池的兩倍,所以雙壁管太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。在電弧放電制備碳納米管的過(guò)程中,金屬催化劑趨于轉(zhuǎn)變成金屬納米顆粒并附著在碳納米管的表面。利用這一特性,我們以石墨粉為原料,制備出碳納米管為載體的汽柴油加氫脫硫催化劑。雙金屬鎳、釔負(fù)載在單壁碳納米管表面,表現(xiàn)出優(yōu)異的深度加氫脫硫(HDS)性能。特別是在HDS之前對(duì)催化劑進(jìn)行預(yù)氧化處理之后,使催化劑中的金屬單質(zhì)被部分氧化,從而使其在HDS反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生自硫化現(xiàn)象,進(jìn)而使其HDS性能得到了大幅度的提升。通過(guò)小型固定床加氫裝置,以汽油模型化合物為原料,優(yōu)選出HDS性能最好的鎳釔/單壁碳納米管催化劑,并且發(fā)現(xiàn)在制備催化劑過(guò)程中,碳納米管載體生成的量越多,HDS性能越好。但是,在制備之后再單獨(dú)加入碳納米管以提高其含量的方法卻并不能提高HDS性能。我們進(jìn)一步將優(yōu)選出的催化劑用于濟(jì)南FCC汽油和呼和浩特FCC柴油加氫脫硫的性能評(píng)價(jià)。該催化劑在持續(xù)進(jìn)料,重時(shí)空速為2 h-1時(shí),可以將FCC汽油的硫含量從259 mg/L降低至小于1 mg/L,并且可以維持超過(guò)30個(gè)小時(shí);同時(shí),在相同條件下,該催化劑還可以使FCC柴油的硫含量從1126 mg/L降低至10 mg/L以下,反應(yīng)活性可持續(xù)7個(gè)小時(shí)。
【圖文】：

第 1 章 文獻(xiàn)綜述米管或者富勒烯等不同物質(zhì)（圖 1.1）。碳納米管是由石墨層子呈現(xiàn)出六邊形的空間排列結(jié)構(gòu)。其最外層的電子成鍵主要是碳納米管的圓筒形結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致量子限域和 sp2再雜化，使 s p 軌道卻向管外側(cè)偏離，正是這種偏離，使得碳納米管比石墨性和導(dǎo)熱性、以及更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。在碳納米管中可以經(jīng)�？匆娋哂虚]口、彎曲、環(huán)形和螺旋狀結(jié)在六方形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中也存在著五元環(huán)和七元環(huán)等情況導(dǎo)致的，納米管（圖 1.2）。

- 4 -圖 1.2 碳納米管的結(jié)構(gòu)Fig. 1.2 The structure of carbon nanotube 碳納米管的分類納米管可以根據(jù)其管壁的層數(shù)差異分為單壁碳納米管（SWCNTs），雙管（DWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）。圖 1.3 即為不同層數(shù)的
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.1

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