煤基纳米和微米炭材料的电弧法制备研究

　　以廉价碳源——煤炭为原料，采用等离子电弧放电法较系统地开展了煤基纳米炭素材料的制备研究，成功制备得到了富勒烯和多种结构形态的碳纳米管；研究了煤基纳米炭材料的微观形貌及其生长机理，同时探讨了在催化剂和等离子体电弧辅助条件下热解烃类气体，以煤基炭棒为基体制备微米炭材料的技术途径。主要的研究结果如下：以煤为原料实现了煤基富勒烯的大量制备。激光时间飞行质谱的检测发现，煤基富勒烯烟灰中含有多种高碳富勒烯；在最佳实验条件下粗富勒烯的产率可达6．77％（与烟灰的重量比）。制备得到了多种不同形态的煤基多壁碳纳米管。由不同变质程度的煤种制备得到的碳纳米管在产率上有很大差异，顺序如下：无烟煤>烟煤>褐煤；在最佳实验条件下煤基多壁碳纳米管的产率可达9．16％；控制电弧放电状态可以制备出宏观量的竹节形碳纳米管、Y形碳纳米管和巨型富勒烯。实验结果表明，影响碳纳米管形态和产率的主要因素包括煤基炭棒的结构、催化剂和电弧的放电状态等数个方面。在《大连理工大学学术文库：煤基纳米和微米炭材料的电弧法制备研究》实验条件下，以无烟煤为原料制备单壁碳纳米管的产率最高，烟煤次之，褐煤最差；以I．a—Ni为催化剂获得的单壁碳纳米管的产率较高（1．67％，以消耗的煤基炭棒为基准）；由不同催化剂得到的单壁碳纳米管的直径大小顺序为：Fe>Ni>La—Ni。在低真空条件下，用电弧放电方法以煤为原料制备出双壁碳纳米管，产率和纯度均较高；得到的双壁碳纳米管的直径均匀，大约70％左右的煤基双壁碳纳米管的直径分布在4．O～4．5nm。通过在煤中添加催化剂，电弧放电条件下，以煤为起始原料获得了一种外形新颖的球形炭，其直径分布在10～20um，炭球之间的结合形态有链状、平板状及树状等，且具有较高的石墨化程度。用发射光谱（oEs）技术对电弧等离子体进行了原位诊断研究，结果表明反应体系中存在的C2自由基可能是形成微米炭材料的主要中间体之一。

　　李永峰．l976年．1月出生．汉族．博士．中国石油大学（北京）教授．2007全国百篇优秀博士论文获得者，201 1年八选中组部首批“青年千人计划”。2004年获得大连理工大学化学工艺专业博士学位，毕业后长期在日本东北大学工作，2011年10，9回国工作，从事的科研方向包括煤基炭新型纳米材料的制备与应用研究以及石油沥青残渣高附加值利用及功能化研究。在J Am Chem Soc等刊物和国际会议上发表论文90多篇（发表论文被scl收录50篇．影响因子总和在160左右．SCl他引460余坎，H因子13）；申请专利6项；担任JACS，ACS Nano Small等17种国际学术期刊审稿人，国际期刊OPenJournal of Microphysics编委；在国际会议上做学术报告30余次。荣获多项奖励和表彰．包括：日本学术振兴会外国人特别研究员奖学金、辽宁省科学技术自然科学二等奖、日本应用物理学会（等离子体/电子）学科奖．入选教育部新世纪优秀人才支持计划等。在国内和日本，主持或作为骨干参与完成及正在实施多项科研项目。

1 绪言
1.1 神奇的碳世界
1.2 富勒烯和碳纳米管的发现
1.3 碳纳米管的分类与结构
1.4 富勒烯和碳纳米管的制备
1.4.1 富勒烯的制备方法
1.4.2 多壁碳纳米管的制备方法
1.4.3 单壁碳纳米管的制备方法
1.4.4 双壁碳纳米管的制备方法
1.5 富勒烯和碳纳米管的性质与应用
1.5.1 富勒烯的性质与应用
1.5.2 碳纳米管的性质与应用
1.6 其他新颖形态炭材料的发现
1.7 本课题研究的内容与意义
2 煤基富勒烯的电弧制备研究
2.1 引言
2.2 富勒烯的制备
2.2.1 实验原料
2.2.2 实验装置
2.2.3 实验方法
2.3 煤基富勒烯的提取过程
2.4 煤基富勒烯的激光时间飞行质谱表征
2.5 煤基富勒烯的副产物分析
2.6 影响煤基富勒烯产率的因素
2.6.1 煤种的影响
2.6.2 缓冲气体及其压力的影响
2.6.3 煤基炭棒电弧的发射光谱诊断
2.6.4 煤基富勒烯的形成机理
2.7 小结
3 煤基多壁碳纳米管的制备研究
3.1 引言
3.2 多壁碳纳米管的制备
3.2.1 煤样的选取
3.2.2 多壁碳纳米管制备
3.2.3 煤基碳纳米管的表征及潜在应用
3.2.4 影响煤基多壁碳纳米管制备的因素
3.3 煤基竹节形碳纳米管的发现与制备
3.3.1 竹节形碳纳米管的制备
3.3.2 竹节形碳纳米管的表征
3.3.3 电弧放电模式对碳纳米管形态的影响
3.3.4 碳纳米胶囊（巨型富勒烯）的发现
3.4 煤基Y形碳纳米管的制备
3.5 电弧法制备煤基碳纳米管的形成机理
3.5.1 电弧等离子体对碳纳米管形成的影响
3.5.2 煤的结构对碳纳米管形成的影响
3.5.3 催化剂对竹节形和Y形碳纳米管的影响
3.6 小结
4 煤基单壁、双壁碳纳米管和纳米炭棒的制备研究
4.1 引言
4.2 煤基单壁碳纳米管的制备
4.2.1 复合煤基炭棒的制备
4.2.2 复合炭棒的电弧放电过程
4.3 单壁碳纳米管的表征
4.3.1 单壁碳纳米管的电镜观察
4.3.2 单壁碳纳米管的拉曼光谱表征
4.3.3 煤基单壁碳纳米管制备的影响因素
4.4 煤基双壁碳纳米管的制备
4.4.1 实验过程与结果
4.4.2 双壁碳纳米管的电镜观察
4.4.3 双壁碳纳米管的拉曼光谱分析
4.4.4 双壁碳纳米管的孔结构及比表面积
4.4.5 双壁碳纳米管的可能形成机理
4.5 炭纳米棒的制备
4.5.1 制备方法
4.5.2 炭纳米棒的表征
4.5.3 炭纳米棒的潜在应用
4.6 小结
5 电弧等离子体法制备炭微球
5.1 引言
5.2 炭微球的制备方法
5.3 煤基炭微球的表征
5.3.1 煤基炭微球的电镜观察
5.3.2 炭微球的拉曼光谱和X一射线衍射分析
5.4 炭微球的形成机理
5.4.1 煤基炭微球形成的影响因素
5.4.2 煤的基本结构单元
5.4.3 煤基炭微球的形成机理
5.5 小结
6 电弧法制备微米炭材料的研究
6.1 引言
6.2 制备方法
6.2.1 电极的制备
6.2.2 实验过程与结果
6.3 炭微米树的电镜观察
6.3.1 乙炔裂解制备炭微米树
6.3.2 甲烷裂解制备炭微米树
6.3.3 影响炭微米树生长的因素
6.4 生物形态微米炭材料的制备
6.5 花形微米炭材料的电镜观察
6.6 电弧放电条件下微米炭的形成机理
6.6.1 微米炭形成的前驱体
6.6.2 乙炔在电弧等离子体中的分解状况
6.6.3 煤基炭棒的物理结构
6.6.4 炭微米树的可能形成机理
6.7 小结
7 结论
参考文献
创新点摘要
作者学术成果索引
致谢