热等离子射流催化裂解甲烷制备纳米碳纤维的研究

【摘要】： 纳米碳纤维(CNFs)是介于多壁碳纳米管( MWNTs)和普通碳纤维之间的碳材料,外径50~500nm。大多数情况下石墨纹路与纤维轴成一定角度,石墨层形成一个截角的锥面,套叠组装成空心状纤维管,石墨锥大口决定CNFs的外径,小口决定内径。相对于MWNTs,由于尺寸增大和结构差异,CNFs不具备电子弹道输送和量子化电导的性能,在纳米电子器件应用上受到限制,但其他特性,如密度、比表面、比模量、比强度、导电、导热等,都具有与MWNTs相近的表现,在大部分纳米材料应用领域,用纳米碳纤维替代碳纳米管完全可以达到技术要求,而且在某些方面,碳纳米纤维比碳纳米管更有优势,如用于氢气储存、结构增强材料和催化剂载体,鱼骨状或套杯状碳纳米纤维表现更好。 现有CNFs制备研究大多基于CVD方法,由于反应温度低,所得CNFs石墨化程度低、石墨纹路倾角不一致而且管壁表面沉积有无定形碳,这极大影响了CNFs的应用。本文利用兼具高温、高速和可连续化运行性能的热等离子体技术,通过改进等离子射流反应器,利用催化剂与等离子射流的协同作用探索一种制备CNFs的新工艺。通过对三种催化剂和不同工艺条件组合相制得的纳米碳纤维的研究和表征,讨论了催化剂种类、各个工艺参数(原料气流量、工作气气氛、硫元素添加)和CNFs生长之间的相关性,以及各个工艺参数对纳米碳纤维收率、形貌、结构的影响。具体实验内容和主要结论如下: (1)工作气的影响:相同能量输入水平下,因氮气气氛热值高,高温持续时间长,有利于元素态金属原子参与完成碳结构的石墨化进程,所得纳米碳纤维较氩气气氛产物碳层连续、互相平行,纤维管内外表面平直、光滑、无沉积。 (2)催化剂种类的影响:Fe2O3,Co2O3,Ni2O3分别被单独用作催化剂前驱物进行研究,结果表明Fe的催化效率最高,管状物含量达70%,而Co和Ni的产物管状物含量不到40%。从产物形貌和结构方面说,Fe催化剂产物为长度至少有3μm的完全空心套杯状状纳米碳纤维,纯度较高,碳层连贯、平行,其延展方向与纤维管轴成角均匀。Co和Ni的催化产物形态很杂,几乎没有主产物,包括短纤维、管径不一致的多壁管及团聚在一起的类竹节状细管。 (3)硫元素的影响:Fe催化剂中加入适量的硫能够显著地促进纳米碳纤维的生长,使纳米碳纤维的产量提高2倍以上。但硫原子比例超过1/2后会造成催化剂中毒,纳米碳纤维产量减小,所得产物形态也发生变化。 (4)原料气流量的影响:甲烷流量为0.3m3/h时,产物形貌为结晶度良好的空心套杯状纳米碳纤维,甲烷流量加大至0.5m3/h后,所得产物掺杂有大量的竹节状纳米碳纤维和带有颗粒的空心管。 【关键词】：热等离子射流 催化裂解 甲烷 硫 纳米碳纤维
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要2-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 文献综述与选题背景11-29
• 1.1 碳纳米材料概述11-12
• 1.2 纳米碳纤维的结构、性能和用途12-19
• 1.2.1 结构12-15
• 1.2.2 性能15-17
• 1.2.3 应用17-19
• 1.3 纳米碳纤维的制备方法19-22
• 1.3.1 化学气相沉积法19-22
• 1.3.2 静电纺丝法22
• 1.4 等离子体射流在纳米材料制备中的应用22-25
• 1.4.1 等离子体简介22-24
• 1.4.2 直流等离子体射流及其应用24-25
• 1.5 选题背景25-29
• 1.5.1 管状纳米碳纤维的应用优势及制备现状25-27
• 1.5.2 选题背景与主要研究内容27-29
• 第二章 实验部分29-41
• 2.1 反应器改进29-36
• 2.1.1 约束直径29-30
• 2.1.2 约束长度30-36
• 2.2 进料系统36-37
• 2.3 产品收集系统37-38
• 2.4 实验装置图38-39
• 2.5 实验步骤39
• 2.6 分析和表征39-41
• 2.6.1 粉末X 射线衍射(XRD)39
• 2.6.2 扫描电子显微镜(SEM)39
• 2.6.3 X 射线能谱仪(EDAX)39-40
• 2.6.4 透射电子显微镜(TEM)40
• 2.6.5 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)40
• 2.6.6 热重分析40
• 2.6.7 拉曼光谱40
• 2.6.8 色谱分析40-41
• 第三章 纳米碳纤维的形貌和结构41-56
• 3.1 前言41-42
• 3.2 实验部分42
• 3.3 结果与讨论42-55
• 3.3.1 纳米产物的形貌42-47
• 3.3.2 纳米产物的结构47-55
• 3.4 本章小结55-56
• 第四章 纳米碳纤维管形貌结构的影响因素56-66
• 4.1 引言56
• 4.2 等离子工作气的影响56-59
• 4.2.1 实验部分56-57
• 4.2.2 结果与讨论57-59
• 4.3 不同催化剂对产物的影响59-61
• 4.3.1 实验部分59
• 4.3.2 结果与讨论59-61
• 4.4 硫元素对产物生成的影响61-64
• 4.4.1 实验部分62
• 4.4.2 结果与讨论62-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 论文小结与工作展望66-68
• 参考文献68-73
• 致谢73-74
• 攻读学位期间发表的学术论文74

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