碳基無機(jī)納米材料的設(shè)計(jì)、制備及性能研究.pdf

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1、碳基無機(jī)納米材料的設(shè)計(jì)、制備及性能研究李娜2015年1月中圖分類號(hào)：TQ028.UDC分類號(hào)：540碳基無機(jī)納米材料的設(shè)計(jì)、制備及性能研究作者姓名李娜學(xué)院名稱化學(xué)學(xué)院指導(dǎo)教師曹敏花教授答辯委員會(huì)主席石高全教授申請(qǐng)學(xué)位理學(xué)博士學(xué)科專業(yè)無機(jī)化學(xué)學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月Design,SynthesisandPropertyStudyofCarbonBasedInorganicnanomaterialsCandidateName：NaLiSchoolorDepartment:DepartmentofChemistryFacultyMentor:Prof.MinhuaCaoCh

2、air,ThesisCommittee：Prof.GaoquanShiDegreeApplied:PhDMajor：InorganicChemistryDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan,2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明

3、確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要碳是地球上少數(shù)幾個(gè)自遠(yuǎn)古就被發(fā)現(xiàn)的元素之一，其熱力學(xué)穩(wěn)定性高，不易被腐蝕，在高溫處理后有優(yōu)異的導(dǎo)電性能且能和金屬元素緊密結(jié)合形成雜化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，在催化及能源領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著提高性能，具有較大研究價(jià)值。近年來獲得諾貝爾獎(jiǎng)的明星材料石墨烯以特殊的形式展現(xiàn)出碳材料的魅力。它具有比表面積大、導(dǎo)電性能好、力學(xué)性能強(qiáng)、質(zhì)量輕易合成等特點(diǎn)，其在強(qiáng)酸中的氧化態(tài)—氧化石墨更是為其與納米金屬及金屬氧化物粒子的緊密結(jié)合提供了廣闊平臺(tái)。幾乎與石墨烯復(fù)合的材料都在原有基礎(chǔ)上或多或少地提高了多方面性能，形成巨大的商業(yè)市場。另外人們發(fā)現(xiàn)，在碳材料中

4、摻雜氮、硼、氟、磷等元素也可以改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和綜合電子分布，在不同應(yīng)用領(lǐng)域得到顯著性能提高。本工作重點(diǎn)研究對(duì)碳材料的改造及其與納米金屬/金屬氧化物的化學(xué)結(jié)合，旨在合成出綜合性能優(yōu)異的新材料并分析其結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理，目前在雷達(dá)吸波、火箭推進(jìn)劑熱催化、鋰離子電池、氧還原四個(gè)領(lǐng)域取得應(yīng)用進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了碳基無機(jī)納米材料在其中的出色應(yīng)用及巨大工業(yè)化前景。在本論文中，我們通過微波法、水熱法、濕化學(xué)法等設(shè)計(jì)合成了一系列碳基納米材料，將Ni,Co,CoNi,Mn3O4,Cu2O等無機(jī)納米材料與石墨烯等不同形式的碳緊密結(jié)合在一起，在多個(gè)不同領(lǐng)域獲得了顯著提高性能，降低了工業(yè)生產(chǎn)成本，使該系列材料獲得較高商業(yè)應(yīng)用價(jià)值

5、。o1.利用維生素C作為碳源，在120C溶劑熱的條件下制備出Ni-C及CoNi-C塊體材料應(yīng)用于微波吸收，對(duì)材料形貌和組成進(jìn)行了詳細(xì)表征，發(fā)現(xiàn)超細(xì)金屬/合金納米粒子均勻緊致地嵌于碳基中，穩(wěn)定耐腐蝕，可重復(fù)性好。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)材料Ni-C-18.2%可達(dá)到35dB的最佳吸收值(4mm)且吸收頻帶寬，高于一般傳統(tǒng)吸波材料。而另一產(chǎn)物CoNi-C由于強(qiáng)大的自然共振、極化滯后以及電磁參數(shù)高度匹配，吸波性能得到顯著提高，在5-18GHz頻率范圍內(nèi)的微波吸收均超過10dB，其中在7.7GHz處4mm厚度樣品的吸收高達(dá)50.2dB，遠(yuǎn)高于一般傳統(tǒng)吸波材料。由于該體系產(chǎn)物含碳量高，該材料密度小，生產(chǎn)成本低，穩(wěn)定性

6、高，環(huán)境友好，有效大商業(yè)應(yīng)用價(jià)值且為新型吸波材料的設(shè)計(jì)合成提供了新思路。2.合成出了對(duì)高氯酸銨熱分解具有高效催化作用的Mn3O4/GR和Ni/GS納米復(fù)合物。產(chǎn)物由簡單的一步水熱法制得，以氧化石墨為前驅(qū)體，在醇體系中無機(jī)粒子的形I北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文成與氧化石墨的還原同步進(jìn)行，所得粒子分散性好，比表面積大，氧化石墨還原完全，導(dǎo)電能力強(qiáng)，有效防止了納米粒子的團(tuán)聚導(dǎo)致的催化活性位減少。經(jīng)測試使高氯酸氨熱分解溫度降低約100℃，催化效果突出。此種材料設(shè)計(jì)可推廣應(yīng)用到其它金屬/金屬氧化物與石墨烯復(fù)合的納米材料應(yīng)用到不同的催化領(lǐng)域。3.設(shè)計(jì)了一種綠色簡單高效的微波輔助合成方法制備具有雙導(dǎo)電系統(tǒng)的Cu

7、2O@Cu-GS復(fù)合物。Cu2O@Cu具有明顯的核-殼結(jié)構(gòu)，均勻分散在石墨烯表面，粒徑約為100nm。該材料在50mA/g的電流密度下比容量高達(dá)775mAh/g，遠(yuǎn)高于Cu2O@Cu（小于100mAh/g）和Cu2O-GS（416mAh/g）。各種表征結(jié)果顯示石墨烯在提高復(fù)合物比容量和穩(wěn)定性方面起到?jīng)Q定性作用，同時(shí)氧化亞銅表面的銅單質(zhì)也有助于大幅提高產(chǎn)物電化學(xué)性能。本設(shè)計(jì)使NiO@Ni-GS,Fe