化学还原二氧化碳合成碳基纳米材料
本论文旨在探索利用CO2或碳酸盐作为主要原料，通过化学还原的办法合成碳材料，取得了一些创新性进展。利用二氧化碳或碳酸盐为碳源，以钠等碱金属为还原剂，在温和的条件下成功地合成了C60、碳纳米管、碳微球，用各种分析手段对产物进行了分析和表征。归纳如下：
1.用CO2、碳酸盐、作碳源，用碱金属作为还原剂。合成了多种形态碳纳米管。通过金属锂还原CO2，在550℃的条件下，成功地合成大量的碳纳米管，碳纳米管的产率能达到80％左右，在720℃的条件下，首次合成了双螺旋碳管，双螺旋碳纳米管具有类似于蛋白质一样的双螺旋结构。在600℃，用金属锂还原碳酸镁，已经成功地合成大量具有新结构的纳米管一截顶圆锥结构的碳纳米管，即碳纳米管由同轴的截顶圆锥的圆筒形的石墨层构成。碳纳米管壁是由几乎平行的石墨层组成，但是不同于普通碳纳米管，石墨层不平行碳纳米管的轴。碳酸盐比二氧化碳容易储存、处理，反应易操作，易控制。用碳酸盐代替二氧化碳，更适合工业生产。这种新奇结构的材料在储氢、电子性能和先进的纳米器件将引起很大的兴趣。在Na-CO2和Na-MgCO3-CCl4体系，合成了多种形态竹节状碳纳米管，最大长度超过24μm。根据实验结果和反应条件，我们提出了一个“碱金属纳米液滴”模板生长模型，解释在超临界CO2体系中用碱金属作还原剂，各种形态碳纳米管的形成机理。同时，我们也发现CO2不仅能作为碳源合成大量碳纳米管，适用于工业化生产；而且能够和碳纳米管反应，剥离碳纳米管的外层产生更细的碳纳米管，剥离碳纳米管的内层，生成内径大的碳纳米管，使碳纳米管表面粗糙不平，增大碳纳米管的表面积。这种碳纳米管可能改善碳纳米管的吸附性能，提高作为催化剂载体的担载能力，也会改善它的储氢性能。
2.用CO2作碳源，分别用碱金属Li或碱土金属Ca作为还原剂。合成了多种形态碳微球。在650℃，采用金属锂还原CO2，成功地合成直径在70nm-900nm的碳微球。在产品中也发现了大量的空心碳球，它们可以用作催化剂的载体、润滑剂和储氢。在550℃，通过金属钙还原CO2，已经成功地合成大量大小基本均匀，直径大约为1-2μm，且球的外形完整，表面光滑的碳微球。提供一种新的方法大规模制备碳微球和合理利用二氧化碳。
3.分别用CO2、碳酸盐为碳源，用碱金属作为还原剂，用简单的化学方法在700℃的条件下把单碳的CO2分子变成了60个碳的C60团簇。该工作一方面使C60及其富勒烯衍生物合成工艺更加简化，另一方面为探索陨石中天然C60的形成之谜提供了更多有价值的信息。
碳基纳米材料;二氧化碳;化学还原法
中国科学技术大学
博士
无机化学
陈乾旺
2005
中文
TB383;TQ031.6
77
2006-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）