碳包覆金属纳米颗粒的制备及其应用研究

《碳包覆金属纳米颗粒的制备及其应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

大连理工大学硕士学位论文碳包覆金属纳米颗粒的制备及其应用研究姓名：孙玉峰申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：邱介山20060601 大连理工大学硕+学位论文摘要碳包覆金属纳米材料具有独特的壳／核包覆结构和众多奇异的物理化学性能，在生物医学工程、催化、新能源等诸多科学技术领域显示出巨大的潜在应用价值，近年来引起国内外学者的广泛关注。本文的中一0,212作是围绕碳包覆会属纳米颗粒的制备及应用研究展开的。以可溶性淀粉为基质，分别选择铁、钴、镍的硝酸盐为金属源，通过控温热解碳化工艺制备碳包覆金属纳米颗粒。并以碳包覆铁纳米颗粒为例，系统考察了制备过程及参数，如金属配量、反应温度、升温速率、反应时间等工艺条件对碳包覆铁纳米颗粒形成的影响。对产物的形态、结构、和组成的表征采用透射电镜、扫描电镜、x射线衍射、Raman光谱、热重、等技术手段。结合实验现象以及相关的表征所获得的信息对碳包覆金属纳米颗粒的形成机理进行了初步讨论。在上述工作基础上，我们还测试了碳包覆铁纳米颗粒的磁性能，并研究了将其用作磁性分离催化剂载体的可能性，以苯甲醇氧化作为探针反应研究了碳包覆铁纳米颗粒上担载钌催化剂的催化性能。实验中我们还尝试了由碳包覆金属颗粒来制备空心碳纳米胶囊，考察了空心碳纳米胶囊吸附脱除油品中噻吩的性能。主要的结果如下：1、以可溶性淀粉为基质，硝酸铁(钴、镍)为金属源，通过控温热解碳化工艺制备碳包覆金属纳米颗粒。所得的碳包覆金属纳米颗粒呈球形或准球形，具有明显的碳壳／金属核包覆结构，纯度较高，且粒度分布均一。制备过程中，淀粉既作为碳源又作为金属纳米颗粒的稳定剂。2、所得的碳包覆铁纳米颗粒在室温下显示超顺磁性。分别制备了碳包覆铁纳米颗粒担载钌、金、银的催化剂；在苯甲醇氧化反应中，碳包覆铁纳米颗粒担载钌催化剂显示出了较好的催化性能；催化剂可通过磁性分离进行回收并重复使用。3、对碳包覆铁纳米颗粒进行酸处理，可以获得纯度较高、尺寸均一的空心碳纳米胶囊。对模拟油品中噻吩的吸附脱除实验结果表明，在相同条件下，空心碳纳米胶囊吸附容量约为商用活性碳吸附容量的两倍。4、淀粉为基质经热解碳化工艺制备碳包覆金属纳米颗粒的形成机理符合溶解一析出机理的基本特征。关键词：淀粉；碳包覆金属纳米颗粒；磁性分离；空心碳纳米胶囊 碳包覆金属纳米颗粒的制备及其应用研究PreparationandApplicationsofCarbonEncapsulatedMetalNanoparticlesAbstractRecentyears，carbonencapsulatedmetalnanoparficles(M@c)havereceivedconsiderableattentionbecauseoftheiruniquecore／shellmicrostructureandphysical&chemicalpropertiesaswellastheirpotentialapplicationsinmanyhigh—techfields，suchasbiomedicalengineering，catalysis，energysources，etc．Carbonencapsulatedmetalnanoparticleshavebeensuccessfullysynthesizedbypyrolyzingstarch／ironcompositeinflowinghydrogen．inwhichstarchisusedasbothcarbonprecursorandstabilizerformetalnanoclusters．Theas—obtainedcarbonencapsulatedmetalnanoparticleshavebeencharacterizedbytransmissionelectronmicroscope(TEM)，scanningelectronmicroscope(SEM)，X—raydiffraction(XRD)，Ramanspectroscopy，thermogravimetry(TG)andvibratingsamplemagnetometer(VSM)．TheresultsrevealthattheM@c，withdiametersinanalTOWrange，exhibitwell—constructedmetalcore／graphiticshellsstructureandwellthermostability．Besides，theM@Cisinasuperparamagneficstateatroomtemperature．Meanwhile，thesynthesisprocessofFe@ChasbeeninvestigatedandtheeffectoftechnicalconditionsontheformationofFe@Chasbeendiscussed，includingstarch／ironratio，heatingrate，reactiontemperatureandtime．Themechanisminvolvedinthegrowthprocessofcarbonencapsulatedmetalnanoparticlesisalsodiscussedbriefly．Alltheresultsimplythatstarchisoneoftheidealcarbonprecursorsforpreparingcarbonencapsulatedmetalnanoparticles．Thepossibilityofas—preparedFe@Casmagneticallyseparablecatalystsupporthasbeeninvestigated．Fe@CsupposedRu，AuandAgcatalysts(catalyst／Fe@C)havebeenpreparedthroughimpregnationandpolyolprocess．Andthestructureofcatalyst／Fe@ChasbeeninvestigatedbyTEMandXRD．TheoxidationofbenzylalcoholtobenzaldehydehasbeenemployedaSaprobereactiontotesttheactivityandselectivityoftheRu／Fe@C．Theresultsdemonstratethatcarbonencapsulatedironnanoparticleisoneoftheidealmagneticallyseparablecatalystsupports．Furthermore，hollowcarbonnanocapsules(HCNCs)withdiametersinanalTowrangehavebeensuccessfullypreparedfromFe@Cviaacidtreatment．TheadsorptioncapacityofHCNCsforthiopheneinmodeloilismuchhigherthanthecommercialactivatedcarbonunderthesameconditions，implyhagthattheHCNCsareofpotentialasadsorbentinultra．1止epremovalofsulfur．containingcompoundsfromfueloils． 大连理工大学硕士学位论文KeyWords：Starch；CarbonEncapsulatedMetalNanoparticles；MagneticSeparation；HollowCarbonNanocapsules 独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，‘也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名导师签名：。』皇堡星望参竺≤毒』月卫日牛 大连理工大学硕士学位论文引言自1993年美国Rouff研究小组成功合成出碳包覆La纳米材料后，十多年来，碳包覆金属纳米材料(CarbonencapsulatedmetaInanomaterials，M@C)及其相关的科学得到了飞速发展。作为一种新型的金属．碳复合纳米材料，其制各、性能与应用的研究已成为碳科学与材料科学领域的研究热点。碳包覆金属纳米颗粒是一种类富勒烯碳葱填充金属颗粒，形成的一种具有核／壳结构的纳米材料。这种碳包覆余属颗粒具有独特的物理化学性质，由于包覆碳层对纳米金属粒子具有保护作用，大大的拓展了这类纳米金属颗粒材料的应用范围。这种材料在化学、材料、物理等诸多领域有着巨大的潜在应用价值。在碳包覆金属纳米颗粒制备及应用科学的发展进程中，可控的获得高纯度、尺寸均一的产品是其性能以及应用研究的基础，因而也一直是科研工作者关注的热点。已有多种制备碳包覆金属纳米颗粒的方法被报道，包括电弧法、激光法、化学气相沉积、高温处理、低温热解等等。其中低温热解碳化法是一种大量制备高纯度的碳包覆金属纳米颗粒的方法，通过对所加金属粒子尺寸的调控，可在一定程度上达到对产物尺寸的控制。有关碳包覆纳米材料的制备研究，尽管众多研究者付出了大量的努力，仍然存在许多理论和技术问题需要进一步探索和研究。不同碳前驱体及金属粒子的选择以及开发新的合成方法是碳包覆金属纳米颗粒制备研究工作的两个重要发展方向。本文是以可溶性淀粉为碳源。经过控温热解碳化处理，制备高纯度且尺寸均一的碳包覆磁性金属纳米颗粒，开发一条由廉价的生物原料来制备碳包覆纳米材料的技术路线，内容涉及碳纳米材料和生物材料的交叉技术领域；运用透射电镜、扫描电镜、x射线粉末衍射、Rarnan光谱、热重分析、振动样品磁强计等技术手段研究产品的微观结构形貌和物理化学性能；在此基础上讨论了碳包覆金属纳米颗粒的生成机制；初步研究了其作为磁性分离催化剂载体的可能性，同时对碳包覆金属纳米颗粒进行酸处理制备出尺寸均一的空心碳纳米胶囊，并对其在吸附脱硫领域的应用进行了研究。 碳包覆金属纳米颗粒的隹恪及其应用研究1文献综述1．1背景11．1碳的同素异形体碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一，是形成有机物质的必要组分。碳元素符号是C，来自拉丁名称Carbonium，就是煤的意思。碳的原子序数为6，原子量为12．它以其特有的成键方式形成了丰富多彩的碳家族。自然界中，碳元素除了以化合物的形式存在外，还存在大量的单质碳。成键时，碳原予核外L层的原予轨道会发生杂化。单质碳成键方式的不同不仅决定了碳分子的空间结构还决定了碳质的性质。过去认为碳有两种单质，即金刚石和石墨，根据sp“(1