介孔模板生长螺旋纳米碳纤维阵列及其生长机制研究

Mesoporous materials with ordered channels and eontrollable pore size and hard siliea wall and other advantages were widely used as a template. Copper nanowires will be electro-deposited insides the nanopores of a mesoporous silica films. Then, helical carbon nanofiber arrays are synthesized by catalytic chemical vapor deposition of acetylene with copper nanowires. A series of techniques will be utilized to investigated the morphology and structures of the copper nanowires as well as the evolution of the nanowires through the catalytic growth process of carbon nanofibers.The main goal of this research is to synthesize helical carbon nanofibers with unidirectional growth mode with the use of copper naniwires as catalyst and acetylene as carbon source at low temperature. Experiments will be designed and conducted to reveal effects of copper nanowires with different diameters on the structures and morphology of helical carbon nanofiber arrays, and thereby a diameter range of copper nanowires will be obtained for the synthesis of helical carbon nanofiber arrays with desirable properties. Therefore, the conduct of this project will provide helpful information on optimal synthesis parameters for helical carbon nanofiber arrays and their growth mechanism, and thus give significant theoretical guidance and technical support for controllable growth of carbon nanofibers and facilitate their aplications as electrodes for supercapacitors and as catalyst support.

介孔材料以其规则的孔道排列，可控的孔径大小以及坚硬的孔壁等优势被广泛用作模板。本项目采用介孔二氧化硅薄膜作为模板，通过电沉积法在二氧化硅薄膜的纳米孔中合成铜纳米线，催化乙炔化学气相沉积，生长得到螺旋纳米碳纤维阵列。系统研究铜催化剂在螺旋纳米碳纤维中的存在方式和状态以及反应前后形貌变化规律，在课题组以往研究成果的基础上取得新进展，即利用铜催化剂低温催化乙炔制备单向生长的螺旋纳米碳纤维。研究不同直径的铜纳米线催化剂对合成的纳米碳纤维阵列结构及形貌的影响规律，探查生长螺旋纳米碳纤维阵列的铜纳米线直径范围。探索螺旋纳米碳纤维阵列的最佳制备工艺条件，阐明螺旋纳米碳纤维阵列的生长机制，为螺旋纳米碳纤维阵列的可控制备及超级电容器电极和催化剂载体的应用研究提供理论基础和技术支持。

定向排列的碳纳米材料由于具有特殊的组织和较低的发射阈值电压及较高的发射电流等性能，是一种优良的场发射阴极材料，具有广泛的应用前景。因此，定向排列的碳纳米材料的研究与开发具有重要的理论和实际意义。. 本项目利用电化学腐蚀法制备了介孔二氧化硅，利用阳极氧化法制备了多孔阳极氧化铝(AAO)，利用交流电沉积法制备了铜纳米线，分别利用介孔二氧化硅和AAO为模板催化乙炔制备了纳米碳纤维阵列等，并研究了纳米碳纤维阵列的生长机制。在J Mater Chem A、J Mater Chem C、J Electrochem Soc等期刊发表SCI/EI收录论文28篇。. （1）利用电化学腐蚀法，通过改变不同的实验参数（腐蚀时间、腐蚀电流密度）可控制备了孔径分布均匀的介孔二氧化硅，探索了制备介孔二氧化硅的最佳实验条件。. （2）通过控制实验条件（氧化电压、氧化时间、氧化模式、搅拌及电解液浓度），制备了不同形貌的AAO模板。实验条件对AAO模板孔尺寸、孔形貌以及孔的分布有着重要影响。. （3）利用所制备的AAO模板在交流电沉积下制备了铜纳米线。铜纳米线呈现阵列状分布，直径与AAO孔径基本相当，其微观结构为竹节状，纳米线周期性地出现节点，许多微小的铜纳米节相连组成一根铜纳米线。铜纳米线的这种结构是由于交流电沉积的特殊性决定的，铜纳米线在沉积时是取向生长的。. （4）利用铜纳米线/AAO模板为催化剂，化学气相沉积得到了纳米碳纤维薄膜， AAO模板孔洞对纳米碳纤维生长的限域作用是碳纤维薄膜制备的关键。. （5）将铜纳米线/AAO复合基板在氢氧化钠溶液中腐蚀，催化制备得到了纳米碳纤维阵列。距离相近的几根纤维端部互相吸引缠绕形成纤维束，各个纤维束之间距离比较大且独立生长。探讨了纳米碳纤维阵列的生长机理，纤维之间的相互作用力是纳米碳纤维阵列生长的关键因素。. （6）采用浸渍法在介孔二氧化硅模板的孔道内注入铜盐溶液，催化乙炔成功制备了螺旋纳米碳纤维阵列，并研究了螺旋纳米碳纤维阵列的生长机制。. 本项目开展了模板法制备纳米碳纤维阵列及其生长机制的研究，为纳米碳纤维阵列的可控制备及其应用研究提供了理论基础和技术支持。