论文部分内容阅读
由于碳单质和化合物组成的多样性,碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。特别近三十年来,随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现,逐次将碳材料的研究推向高潮。一种材料要实现其应用,其前提是具有优异或不可替代的性能并能够规模化制备和可控化制备,这也是碳纳米管和石墨烯两个新型碳纳米材料的研究重点。鉴于此,本文提出并研究了一种超快、规模化制备石墨烯的方法——熔融含碳合金旋淬碳析出法；提出并设计制备多种碳纳米管特别结构的方法。在此基础上,研究了碳纳米管与本文所发现的Al-Sn产氢合金复合得到的Al-Sn/CNTs复合材料的产氢性能,以及采用熔融合金旋淬碳析出法制备的附着有石墨烯复合膜的Ni合金条带的抗腐蚀性能,得到了如下的结果：研究了浮动催化方法制备碳纳米管的工艺条件,制备了能满足本论文实验所需的碳纳米管阵列和薄膜；通过对Al-Sn合金进行轧制,开发了一种在室温下能够与水直接快速反应产生氢气的新型产氢合金。研究了合金成分对产氢速度和产氢量的影响,发现铝含量在27%时,此时合金中铝锡的体积相当,氢气析出速率最快：在铝含量在45%时,氢气产量最大,达到2.3L/cm3(0.2g/cm3),此高于传统储氢合金,能够与金属氢化物相媲美；通过高温超高压方法制备了含有碳纳米管的Al-Sn合金复合材料,研究发现,随着复合材料中碳纳米管量的增加,Al-Sn合金复合材料产氢量和产氢速度增加,而在碳纳米管含量相同的情况下,含有单壁碳纳米管的Al-Sn合金复合材料产氢量和产氢速度比含有多壁碳纳米管的Al-Sn合金复合材料更大；结合理论研究,说明水分子在单壁碳纳米管中的流动速度远高于多壁碳纳米管,从而增加了水分子进入合金内部与Al-Sn合金反应的几率,进而提升了该种复合材料与水直接反应制备氢气的能力。利用阳极氧化铝(AAO)为模板,通过对已经制备了碳纳米管或金属纳米线的AAO模板管壁再次扩孔,并再次生长碳纳米管或纳米线的新方法,获得了银纳米线轴向与碳纳米管连接,径向被碳纳米管包裹的接触面更大的异质结构；利用AAO模板,通过调节AAO模板中已经获得的Ag纳米线的热处理温度及随后生长碳纳米管的温度,使AAO管壁上附着Ag纳米颗粒,改变AAO内壁的形貌。由于碳纳米管生长过程中复制AAO内壁的形貌,获得了管壁带有凹陷或窗口的新型碳纳米管结构；基于此,实现铂纳米颗粒镶嵌在碳纳米管管壁内,而不是附着在碳纳米管管壁外或管内的、铂纳米颗粒与碳纳米管的新型异质结构。这些结构为本文首先获得,丰富了碳纳米管的形貌和结构,并可能拥有新的性能而在能源、药物传输和纳米电子器件中发挥特殊的作用。开发一种超快、规模化制备石墨烯的新方法,其特点是采用制备非晶条带的单辊旋淬设备,将Ni/C合金喷射到高速旋转的铜辊之上,瞬间(0.2秒)获得了宽几毫米、长几米的连续均匀的、表面附着石墨烯的合金条带,本文称之为熔融合金旋淬碳自析法。通过对条带形貌定性的描述和EDS半定量的分析,研究了碳在镍中的含量和铜辊的转速对膜层生长的影响,发现：碳含量低于0.2wt%时,不能得到石墨烯,碳含量越高,在合金条带表面碳含量越高,得到的石墨烯面积越大,当碳含量高于0.6wt%时,石墨烯复合膜就会覆盖整个合金带材,为了得到少层石墨烯膜,碳含量控制范围在0.6-0.3wt%之间；同时发现转速越快,条带越薄,冷却速率越大,析出越多,膜层在带面的覆盖率越大,为了控制膜层厚度,转速可在4000-6000rpm之间。研究了该方法生长石墨烯的机理：不同于普通的CVD方法中碳在固体内渗碳析碳,该方法中碳的扩散主要在熔融Ni合金中,扩散速度和深度增加,因此能够以CVD方法不可比拟的速度生长石墨烯。熔融碳镍合金旋淬时的冷却速率达到104-106K/s,极大的温度梯度变化和化学位梯度造成的碳原子的快速扩散超过了急冷凝固对碳原子的扩散速度大幅降低的影响,仍然表现为大量的碳原子的析出；同时,快速冷却造成晶粒细化,为碳原子的析出提供了更多的扩散点,提高了扩散效率,进一步加速了碳原子析出,因而在镍合金条带表面形成了大量的石墨烯和少层石墨烯。研究了采用该法制备的合金条带的抗腐蚀性能,通过对比覆盖有不同面积石墨烯复合膜的样品的极化曲线,发现完全包覆有石墨烯复合膜的Ni合金条带的腐蚀电位明显高于纯镍样品,其腐蚀电流也比纯镍的低了两个数量级,说明完全包覆石墨烯复合膜的样品的抗腐蚀性明显提升；包覆石墨烯复合膜的面积越大,则合金条带的耐腐蚀性能越好。这种石墨烯复合膜能够提高金属抗腐蚀性能的原因在于石墨烯复合膜起到了离子阻挡层的作用,从而降低了金属Ni与离子反应的几率而起到降低腐蚀速度的作用。