【摘 要】
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碳纤维由于其优良的机械性能常被用作基体材料制备碳纤维纳米复合材料,在能源、环境等领域有广泛的应用前景。选择碳纤维用于能源光催化反应的研究主要是由于在光催化过程中,
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碳纤维由于其优良的机械性能常被用作基体材料制备碳纤维纳米复合材料,在能源、环境等领域有广泛的应用前景。选择碳纤维用于能源光催化反应的研究主要是由于在光催化过程中,碳纤维具有一些独特的基本特征,符合光催化过程的要求:首先,作为光敏剂,碳纤维可以改善可见光区域内的光响应;其次,碳纤维具有高导电性,可以及时传输光生成的电子,以防止光生载流子之间的重新组合;第三,碳纤维的大表面积和优异的吸收能力使其成为制备复合材料的优良载体。碳纤维表面存在一些化学惰性,因此碳纤维在制备纳米复合材料前通常会进行适当的表面修饰来提升比表面积,修饰表面电学性能,使其更适于制备纳米复合材料。本论文从碳纤维表面刻蚀和复合生长两方面研究碳纤维材料的表面性质以及在光催化还原二氧化碳中的应用。主要工作包括:1.碳纤维表面刻蚀利用金属纳米颗粒的局域热效应刻蚀碳纤维,在碳纤维表面形成疏松多孔结构,对碳纤维比表面积提升可达60倍,深度可达300 nm。研究表明传统的热处理和表面等离激元都能诱导金属纳米颗粒表面局域热效应,在热效应作用下金属纳米颗粒周围碳原子被氧化,从而实现对碳纤维的表面刻蚀。同时,研究还发现金属纳米颗粒表面的局域热效应,难以破坏完整的C-sp2结构,刻蚀更倾向于发生在空位、晶界等具有不完整石墨结构的缺陷附近。2.碳纤维表面生长纳米复合材料Hummers法是宏量制备氧化石墨烯的稳定方法,其废液具有强酸强氧化性。本工作以Hummers废液结合TiCl4作为前驱溶液,在碳纤维表面原位获得高比表面积碳纤维-TiO2纳米复合结构,在光催化还原二氧化碳的应用中,展现了相对于硫酸、双氧水等寻常前驱液更优良的反应速率。研究表明,Hummers废液中的强酸性和强氧化性,诱导了锐钛矿结构TiO2在碳纤维表面高密度的定向生长。同时,随着TiO2生长的进行,碳纤维表面也被刻蚀,最终形成了高比表面积的碳纤维-TiO2纳米复合结构。
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