层状结构催化剂可控制备碳纳米材料研究

论文摘要

碳纳米纤维和碳纳米管具有独特的结构和优越的性能,使得它们在复合材料、催化剂载体、储氢材料、传感器、燃料电池和电容器等方面都有应用前景。碳纳米材料的合成受到催化剂种类、载体、气源、反应温度和助催化剂等诸多因素的影响,不同的工艺条件可以制备出不同形貌结构的碳纳米材料。水滑石是一种具有高度有序的二维层状结构材料。将其应用于碳纳米材料的制备时,一方面活性组分的种类和含量可调变,能够实现碳纳米材料制备上的可控性；另一方面活性组分在层板上排布均匀,焙烧后具有高度分散性,使得碳纳米材料收率高,结构规整。本文利用水滑石这两方面的优势,研究了将其作为催化剂前体,CVD法下合成碳纳米材料的工艺过程,并结合XRD、BET、TPR、XPS、SEM、TEM、HRTEM和RAMAN等分析手段,得到了一系列规律性的结论。在Pt基催化剂制备碳纳米纤维中,分别采用了浸渍法和共沉淀法来制备催化剂前体。浸渍法中,将MgAl-LDH的焙烧产物作为载体负载Pt基催化剂,研究发现催化剂前体中Mg含量增大有助于改善Pt的分散性,并提高碳纳米纤维的收率和石墨化程度。共沉淀法中,合成了不同Pt含量的系列Pt/MgAl-LDH前体,并以其焙烧产物为催化剂,CVD法下合成碳纳米纤维,结果表明：（1）乙炔为气源时,Pt基催化剂合成碳纳米纤维的最佳温度为600℃；（2）催化剂含量对碳纳米纤维的合成影响很大,含量过低时,产品收率低,含量过高时,粒子容易团聚,选择适宜的催化剂含量非常重要。在Co基催化剂制备碳纳米管中,结合水滑石层间阴离子可交换的特点,成功地将助催化剂W插层到含有活性组分Co的水滑石前体中,并将该一体式催化剂的焙烧产物用于碳纳米管的制备。研究结果表明,添加少量助催化剂W能够提高碳纳米管的收率和改善碳纳米管的形貌结构,而助催化剂W过量时,则会造成催化剂粒子的大量团聚,从而大大地降低产品的收率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米纤维的研究现状
• 1.1.1 碳纳米纤维简介
• 1.1.2 碳纳米纤维的制备
• 1.1.3 碳纳米纤维生长的影响因素
• 1.1.4 碳纳米纤维的生长机理
• 1.1.5 碳纳米纤维的应用
• 1.2 碳纳米管的研究现状
• 1.2.1 碳纳米管简介
• 1.2.2 碳纳米管的制备
• 1.2.3 碳纳米管生长的影响因素
• 1.2.4 碳纳米管的生长机理
• 1.2.5 碳纳米管的应用
• 1.3 水滑石的研究现状
• 1.3.1 水滑石简介
• 1.3.2 水滑石的制备方法
• 1.3.3 水滑石的应用
• 1.4 水滑石应用于碳纳米材料制备研究现状
• 1.5 选题目的和意义
• 1.6 论文研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 催化剂前体的制备
• 2.2.1.1 浸渍法制备Pt/MgAl-LDH
• 2.2.1.2 共沉淀法制备Pt/MgAl-LDH
• 2-插层CoMgAl-LDH'>2.2.1.3 离子交换法制备WO4^2-插层CoMgAl-LDH
• 2.2.2 催化剂复合金属氧化物的制备
• 2.2.3 碳纳米材料的制备
• 2.2.3.1 贵金属基催化生长碳纳米纤维
• 2.2.3.2 钻基催化生长碳纳米管
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 X射线衍射分析
• 2.3.2 扫描电镜分析
• 2.3.3 透射电镜分析
• 2.3.4 高倍透射电镜分析
• 2.3.5 比表面-孔径分析
• 2.3.6 电感耦合等离子体元素分析
• 2.3.7 程序升温还原分析
• 2.3.8 X射线光电子能谱分析
• 2.3.9 拉曼光谱分析
• 第三章 浸渍法制备Pt基催化剂生长碳纳米纤维研究
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 MgAl-LDH前体的XRD表征
• 3.2.2 复合金属氧化物的XRD表征
• 3.2.3 复合金属氧化物的SEM表征
• 3.2.4 复合金属氧化物的比表面及孔结构表征
• 3.2.5 复合金属氧化物的金属分散度分析
• 3.2.6 碳纳米纤维的XRD表征
• 3.2.7 碳纳米纤维的SEM表征
• 3.2.8 碳纳米纤维的TEM表征
• 3.2.9 碳纳米纤维的HRTEM表征
• 3.2.10 碳纳米纤维的RAMAN表征
• 3.3 本章小结
• 第四章 共沉淀法制备Pt基催化剂生长碳纳米纤维研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 催化剂前体和催化剂的表征
• x-LDH的XRD分析'>4.2.1.1 Pt_x-LDH的XRD分析
• 4.2.1.2 复合金属氧化物的XRD分析
• 4.2.1.3 复合金属氧化物的ICP-ES分析
• 4.2.1.4 催化剂前体和复合金属氧化物的SEM分析
• 4.2.1.5 复合金属氧化物的比表面及孔结构分析
• 4.2.1.6 复合金属氧化物的TPR分析
• 4.2.1.7 活性组分Pt的XPS分析
• 4.2.2 反应温度对CNF生长的影响
• 4.2.2.1 碳纳米纤维的XRD及收率分析
• 4.2.2.2 碳纳米纤维的SEM和TEM分析
• 4.2.3 Pt含量对CNF生长的影响
• x-CNF的XRD及收率分析'>4.2.3.1 Pt_x-CNF的XRD及收率分析
• x-CNF的SEM分析'>4.2.3.2 Pt_x-CNF的SEM分析
• x-CNF的TEM分析'>4.2.3.3 Pt_x-CNF的TEM分析
• x-CNF的HRTEM分析'>4.2.3.4 Pt_x-CNF的HRTEM分析
• x-CNF的Raman分析'>4.2.3.5 Pt_x-CNF的Raman分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 Co基催化剂中W的添加对碳纳米管生长的影响
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• x-LDH前体的XRD分析'>5.2.1 CoW_x-LDH前体的XRD分析
• 5.2.2 复合金属氧化物的XRD分析
• 5.2.3 复合金属氧化物的ICP-ES分析
• 5.2.4 催化剂前体和复合金属氧化物的SEM分析
• 5.2.5 复合金属氧化物的比表面和孔结构分析
• 5.2.6 碳纳米管的XRD分析
• 5.2.7 碳纳米管的SEM分析
• 5.2.8 碳纳米管的TEM分析
• 5.2.9 碳纳米管的HRTEM分析
• 5.2.10 碳纳米管的RAMAN分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 本论文创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和申请专利
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书