文档介绍：铜催化剂纳米粒子的尺寸对碳纤维形貌的影响
张乾崔作林
(青岛科技大学山东省纳米材料工程技术重点实验室,山东青岛266042)
    摘要:通过化学气相沉积法高重复性制备了纳米螺旋碳纤维和直线性碳纤维,并研究了金属铜纳米粒子催化剂的尺寸大小对碳纤维形貌的影响,认为粒径较大的铜纳米粒子容易催化聚合生成直线形碳纤维;反之,粒径较小的铜纳米粒子倾向于合成纳米螺旋碳纤维。利用场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)和X射线粉末衍射(XRD)等测试方法对产物进行了表征。
    关键词:纳米碳纤维;螺旋;纳米铜;催化剂
    中图分类号:TQ342文献标识码:A
    文章编号:1001-9731(2008)01-0151-03
    1 引言
    随着科学研究的进一步发展,科学家们发现碳元素不再仅限于金刚石、石墨和无定型碳等存在形式,碳元素的其它同素异构体也相继被发现和制备。例如, Motojima等人[1]利用工业乙炔作为碳源气体成功制备出螺旋形碳纤维;1991年,[2] 发现了具有同轴空心圆筒结构的纳米碳管(BT)。从此以后,碳纤维和纳米碳管因其特有的机械、电磁、表面等性能引起了广大学者的研究兴趣。随着直线形、螺旋形、分枝形等不同形貌碳纤维和纳米碳管的成功制备,与之相应的生长模型也被大量的提出和建立[3~5],为我们更加深入的理解和研究碳纤维和纳米碳管的生长机理提供帮助。
    同时,在碳纤维和纳米碳管制备过程中不可缺少的催化剂也得到了科学家们高度的重视,其中金属纳米粒子催化剂由于其尺寸小、比表面积大,很高的催化活性而引起了人们的关注。目前在国际上,金属纳米粒子(1~100nm)催化剂已经被作为第四代催化剂进行研究开发[6]。
[7]通过高分辨透射电镜原位技术观察到了铜纳米粒子的形状随其所处气氛的改变而发生变化的现象,发现铜纳米粒子的形态与所处气氛有着密不可分的关系,并且具有可逆性,也就是说当铜纳米粒子所处的气氛经过一个周期性变化,最后恢复到初始气氛的时候,铜纳米粒子的形态也随之恢复到原状。[8]报道了用镍催化剂制备碳纤维的过程,并且通过理论计算得知,镍催化剂粒子的不同晶面对碳纤维的生长表现出不同的催化活性,有的晶面对分解碳源气体成碳的过程表现出很大活性,而有的晶面则因能够与石墨层形成很强的共价键而能够生长
碳纤维,但是由于不同纤维生长晶面生长碳纤维的速度不同,导致了螺旋形态碳纤维的出现。
    本文通过FESEM、TEM、XRD等测试方法对铜纳米粒子催化剂及其催化生长的碳纤维进行了测试和研究,探讨催化剂粒子形态与其所催化制备的碳纤维形态之间的关系。
    2 实验
    样品制备
    催化剂制备
    利用3种不同的铜纳米粒子催化剂,均成功制备出碳纤维,包括纳米螺旋碳纤维和直线形碳纤维。3 种催化剂的制备方法如下:(1)酒石酸铜催化剂前驱体(后简称酒石酸铜):将一定量的氯化铜溶液缓慢加入到酒石酸钾钠溶液中,剧烈搅拌10min,然后静置,随后出现浅蓝色沉淀。将沉淀过滤,分别用蒸馏水和无水乙醇进行洗涤,最后在110℃条件下干燥1h;(2)氢电弧法铜纳米粒子(后简称电弧铜):将金属铜块固