【摘要】：碳包覆金屬納米粒子作為一種新型的功能復合材料,不僅可以保護內部金屬粒子不發(fā)生物理和化學變化,還可以賦予材料新的性能,使其在催化、能量轉換和存儲、生物醫(yī)學以及摩擦材料等領域有廣泛的應用前景。因此,碳包覆金屬納米粒子的制備及其應用研究引起了廣泛的關注。本文采用磁控濺射方法通過調控沉積溫度使碳原子通過原位自組裝過程生長成石墨殼從而獲得碳包覆金屬納米粒子薄膜;研究了碳包覆金屬納米粒子的氧還原反應催化性能及催化機理;并探究了碳包覆金屬納米粒子的摩擦性能。在探索碳包覆金屬納米粒子的可控合成及氧還原反應催化性能優(yōu)化方面,先調節(jié)Ar和N_2氣體流量比制得N含量不同的氮摻雜碳薄膜(CN),隨后調節(jié)Cu靶的濺射電流制備不同Cu含量的CuCN薄膜,然后對所制備薄膜催化劑進行氧還原反應催化性能表征并篩選和優(yōu)化出獲得高催化性能的制備工藝。最后調節(jié)沉積溫度發(fā)現(xiàn)控制沉積溫度可以實現(xiàn)碳包覆金屬納米粒子的可控合成,在沉積溫度為650?C時形成了典型的少層N摻雜洋蔥碳包覆Cu納米粒子結構;而沉積溫度增加到750?C時,N摻雜洋蔥碳殼厚度增加。通過線性掃描伏安法測試發(fā)現(xiàn)沉積溫度為650?C時CuCN-650?C催化劑具有最佳的氧還原催化活性,表現(xiàn)出接近商業(yè)Pt/C催化劑的開啟電勢、半波電勢和電子轉移數(shù),以及優(yōu)于商業(yè)Pt/C催化劑的穩(wěn)定性及耐甲醇性。結合X射線光電子能譜及密度泛函理論計算,CuCN-650?C催化劑具有最高的吡啶N含量,且內部的Cu納米粒子能轉移電子給外部的N摻雜洋蔥碳殼,增強氧還原過程中對O_2的吸附能。CuCN-650?C催化劑氧還原催化性能的提高主要是由于其高的吡啶N含量,增強的導電性及被包覆的Cu納米粒子與N摻雜洋蔥碳殼的協(xié)同效應。而Cu納米粒子與N摻雜洋蔥碳殼的協(xié)同效應會受到N摻雜石墨殼的厚度的限制。在成功制備N摻雜洋蔥碳包覆Cu納米粒子結構的基礎上,我們優(yōu)化濺射過程中的沉積參數(shù)制備了Ag@C、Cu@C和Co@C三種核殼結構薄膜。三種薄膜均具有洋蔥碳包覆金屬納米粒子結構,且展現(xiàn)出了較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的摩擦性能。結合磨痕表面的Raman圖譜可知,磨痕處生成了晶化程度更高的石墨摩擦膜。在摩擦過程中,由于薄膜中特殊的碳包覆金屬納米粒子與摩擦表面的不充分接觸,以及生成的石墨摩擦膜的低剪切應力,有效的減少了表面的磨損情況。此外,三種碳包覆金屬納米粒子薄膜在油介質環(huán)境下也都展現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦性能。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;O643.36
【圖文】：

石墨烯[18]，碳的同素異形體及碳納米材料的合。與其它無機材料相比，碳材料具有優(yōu)良的導性及生物相容性等。因此，碳材料在許多領域劑載體[19]、電極材料[20, 21]、鋰電池負極材料[2基材料與其它材料復合可能會結合兩種材料的的性能及應用。納米粒子是一種新型的核殼結構納米復合材料納米粒子，外殼層由數(shù)層石墨碳層或無定形993 年，Ruoff 等[27]首次報道了在電弧放電法制核殼結構的 LaC2@C 顆粒，從而拉開了關于碳備和性能研究的序幕。1998 年，Harris 等[28]利o@C 復合材料，使碳包覆金屬納米粒子真正引

圖 1.2 電弧放電裝置示意圖。Fig. 1.2 The schematic diagram of arc discharge device.在電弧放電實驗中，通過改變放電環(huán)境，電極形狀、數(shù)量、材質、放電方式等可以提高產物的產率、石墨化程度或制備新型的碳納米材料。此外，電弧放電法制備的碳包覆金屬納米粒子的形態(tài)和結構與被包覆的元素的種類有關。通常情況下，F(xiàn)e、Co、Ni 等元素對碳殼的形成及石墨化有催化作用，且這些元素能以金屬單質的形式被包覆；但有時被包裹的物質為 Fe、Co、Ni 的碳化物[37-39]。Liu等[40]通過交流電弧放電法，在 N2條件下，合成了碳包覆 Co 和 Ni 納米粒子核殼結構，其產率超過 80 %，且產物展現(xiàn)出優(yōu)異的磁學性質。Bai 等[41]采用直流電弧放電方法，在惰性氣氛條件下制備了 Cu@C，產物粒度相對比較均勻且分散性良好。電弧放電法制備的碳包覆金屬納米粒子，碳殼層及金屬核的晶化程度比較高，粒徑分布均勻，產量大。但電弧放電過程的溫度過高（4000 K），反應過程較為

也可以用于碳包覆金屬納米粒子的合成。CVD 實驗裝置示意圖如圖1.3 所示。CVD 法的基本原理是在反應室中，納米金屬顆粒均勻的分散在基板上，揮發(fā)性的碳源在一定溫度下被金屬顆粒催化熱解，進行化學反應轉變成固態(tài)不揮發(fā)的碳納米材料，沉積在襯底表面，常用的催化劑有 Fe、Co、Ni 和 Cu 等。其中，實驗過程中的反應溫度、反應時間、反應室內的壓力、氣體成分和比例以及催化劑的種類等均是影響產物結構和性質的關鍵實驗參數(shù)。圖 1.3 化學氣相沉積法裝置示意圖。Fig. 1.3 The schematic diagram of the chemical vapor deposition device.

【參考文獻】

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1 李曉杰;羅寧;歐陽欣;閆鴻浩;王小紅;;合成碳包覆納米金屬材料的研究現(xiàn)狀[J];材料導報;2009年13期

本文編號：2791647