热解火焰法催化裂解甲烷合成碳纳米管的实验研究

【摘要】：碳纳米管是一种一维纳米材料。自1991年,日本学者Iijima首次发现碳纳米管以来,碳纳米管合成技术一直是国内外学者研究的热门领域。碳纳米管作为一种性能优良的材料,具有广阔的应用前景。本文以甲烷为碳源,Fe/Mo/Al2O3为催化剂,采用热解火焰法,通过改变实验条件,探索以及优化碳纳米管的制备方法,并对产物进行了表征。通过不同的氧炔焰温度、取样高度、取样时间、气体流量比例、催化剂焙烧温度对碳纳米管的制备进行了实验研究。在确定了较好的实验条件之后,在碳纳米管定向生长方面进行了探索。最后对比了一氧化碳和甲烷两种不同碳源的合成产物。实验结果表明,(1)随氧炔焰温度升高,碳纳米管产量增加且管径明显变细。氧炔焰温度为1100-C时,最适宜碳纳米管的生长。当氧炔焰温度为1100-C时,取样高度为80mm时产量相对于取样高度60mm时更大。但取样高度为60mmm时合成的碳纳米管更加笔直。(2)取样时间为1min时,碳纳米管产物很少,随取样时间延长碳纳米管产量增加,9min的取样时间产物最多。(3)He流量变化会对碳纳米管形态产生影响,CH4、H2流量变化对碳纳米管形态影响不大；He、H2、CH4流量变化会影响碳纳米管的产量,当He、H2、CH4流量比2：3：6时,碳纳米管产量最高且产物主要是单壁、双壁、三壁碳纳米管。(4) He、H2、CH4流量比为2：3：4时,催化剂焙烧温度为550℃与700℃时,碳纳米管产量较低；催化剂焙烧温度为800-C、900℃、1000℃时,碳纳米管产量较高,且催化剂焙烧温度为900℃时产量最高；拉曼光谱显示催化剂焙烧温度为800℃、900℃、1000℃时,碳纳米管质量较好且均合成了单壁碳纳米管；催化剂焙烧温度为800℃时,合成产物主要为双壁碳纳米管；催化剂焙烧温度为900℃时,合成产物主要为单壁碳纳米管与双壁碳纳米管；催化剂焙烧温度为1000℃时,合成产物主要为单壁、双壁碳纳米管以及三壁碳纳米管。(5)在碳纳米管生长过程中施加电场的影响,碳纳米管生长表现出一定的定向性。(6)一氧化碳和甲烷分别作碳源时,合成产物种类、形态不同。 【关键词】：碳纳米管 热解火焰 合成 甲烷
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景10
• 1.2 碳纳米管简介10-13
• 1.2.1 碳纳米管的结构10-11
• 1.2.2 碳纳米管的性质和应用前景11-13
• 1.3 碳纳米管的制备方法及火焰法研究现状13-17
• 1.4 本文的研究内容17
• 1.5 本章小结17-19
• 第2章 实验系统与实验方法19-23
• 2.1 实验系统19-20
• 2.1.1 燃烧器本体19-20
• 2.1.2 气体流量控制系统20
• 2.1.3 取样探针20
• 2.1.4 热电偶测温系统20
• 2.2 实验原料20-21
• 2.2.1 气体原料20-21
• 2.2.2 催化剂原料21
• 2.3 催化剂制备21
• 2.4 碳纳米管合成实验21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 碳纳米管表征技术23-27
• 3.1 冷场发射扫描电子显微镜表征23-24
• 3.2 高分辨透射电子显微镜表征24-25
• 3.3 拉曼光谱表征25-26
• 3.4 本章小结26-27
• 第4章 实验结果与分析27-48
• 4.1 氧炔焰温度的影响27-29
• 4.2 取样高度的影响29-31
• 4.3 取样时间的影响31-32
• 4.4 气体流量的影响32-37
• 4.5 催化剂焙烧温度的影响37-42
• 4.6 施加电场的影响42-44
• 4.7 甲烷与一氧化碳合成产物的简单对比44-46
• 4.8 本章小结46-48
• 第5章 结论与展望48-50
• 参考文献50-54
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果54-55
• 攻读硕士迄今参加的科研工作55-56
• 致谢56

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