石油沥青基纳米碳材料的制备及功能化基础

碳纳米材料具有各种新奇的物理和化学性质，在各个领域都具有良好的应用前景。截至目前为止碳纳米材料的制备普遍存在批量生产成本较高、纯度较低及功能化单一等问题，这些问题是阻碍碳纳米材料规模化应用的重要瓶颈。本研究将采用化学气相沉积和电弧放电法以廉价的石油沥青为碳源制备高附加值的纳米碳材料，对不同条件下得到的碳纳米材料进行表征分析，确定不同种类碳纳米材料的最佳批量制备条件。采用多种纯化和分离方法包括电泳法、离心沉降法实现不同导电属性碳纳米管的分离。通过气相升华法及毛细管吸附作用将不同的原子和分子填充到碳纳米管内部或附着在石墨烯外表面，调控其电子能带宽度和费米能级实现碳纳米材料的电子结构功能化修饰。通过本研究预期将研发出沥青基碳纳米材料的低成本、高纯度的批量制备技术，实现碳纳米材料电子能带结构的可控调制，为其在不同领域的规模化应用提供材料保障。

碳纳米材料包括石墨烯和碳纳米管等在各个领域具有很好的应用前景，但碳纳米材料的制备普遍存在批量生产成本高及纯度低的瓶颈问题。本研究采用化学气相沉积和电弧放电法以廉价的沥青等为碳源制备高附加值的纳米碳材料，对不同条件下得到的碳纳米材料包括各种碳纳米管和石墨烯进行表征分析，确定不同种类碳纳米材料的最佳制备条件。研究结果表明利用廉价的石油残渣，包括重油残渣，沥青及焦炭为原料可以制备出高附加值的碳纳米管，石墨烯薄膜及三维多孔石墨烯，并实现了功能化的碳纳米管和石墨烯在太阳能电池领域、器件领域及催化剂的应用。.主要结果如下：1) 首次以重油残渣为原料，采用化学气相沉积法（CVD）制备得到了高质量的单壁碳纳米管。研究发现得到的单壁碳纳米管的直径与催化剂的种类有关，采用过渡金属（Fe，Co，Ni）为催化剂制备的单壁碳纳米管直径小于以贵金属（Au，Pt)为催化剂得到的单壁碳纳米管的直径。用电弧放电法通过调节不同的放电气氛实现对碳源的扩散浓度进行控制制备了三种不同形貌的碳纳米管，成功实现了单壁、双壁及三壁碳纳米管的选控制备。以沥青为原料成功制备出三维多孔石墨烯，发现与常规的甲烷为原料不同，以沥青为原料制备石墨烯具有较高的强度；2）对单壁碳纳米管和双壁碳纳米管基太阳能电池进行研究，发现碳纳米管能很好的吸收近红外光的性能，对940nm的光的转化效率可以达到10%。和单壁碳纳米管相比，双壁碳纳米管在吸收长波长的光（1310 nm）更有利于吸收红外光。通过将石墨烯薄膜和硅基体成功制备出肖特基基太阳能电池，第一次以实验结果证实4层的石墨烯具有最大的光电转换效率；3) 通过在单壁碳纳米管内填充C59N异形富勒烯分子和B元素实现碳纳米管的功能化，发现填充C59N以后，单壁碳纳米管的光诱导电流输运性质对温度特别敏感，在室温条件下，输运电流在光照条件下出现大幅降低变化，而在低温时输运电流在光照条件下呈现突然增加变化，结果表明填充C59N以后，单壁碳纳米管有望在温度传感器领域实现应用。此外，通过实验和理论计算研究了B填充单壁碳纳米管的输运性质，发现B填充的单壁碳纳米管在低温条件下呈现超导现象，与理论计算的结果一致；4) 采用气液辉光等离子体法制备金、银、钯超小纳米粒子和金纳米粒子修饰碳纳米管复合材料，以其作为催化剂具有很好的催化活性在Suzuki 和Heck反应方面显现出很好的应用前景。