电纺碳纤维载铜基纳米复合材料的制备及其应用研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100103硕士学位论文（学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：化学工程与技术论文题目：电纺碳纤维载铜基纳米复合材料的制备及其应用研究英文题目：Fabricationandapplicationofelectrospuncarbonfibersloadedcopper-basenanocomposites学生姓名：穆宏春导师姓名：李春萍教授二〇一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要铜基金属材料与金、铂、银等贵金属在很多应用方面有着极其相似的性能，被广泛的应用于光、电化学、有机催化反应、生物制药以及电子器件等方面。

2、但是单一的铜基催化剂易氧化、难回收、易烧结、易升华、循环性能差，因此本文旨在获得一种高活性，易回收，稳定性高的应用于有机催化和电化学中的铜基金属纳米材料。在本文中，首先以静电纺丝技术为基础，通过改变高温碳化过程中的参数，从而获得不同性能的碳纤维载铜催化剂。其次，结合高温高压加氢还原法、真空浸渍法以及化学氧化等方法制备了不同形态与性能的铜基碳复合材料，主要应用于苯乙烯环氧化反应中产物选择性的调控、探究其催化乌尔曼偶联反应的催化性能以及考察铜氧化物与碳纤维结合作为赝电容器电极材料的电化学性能，获得具体的实验结果如下：1.通过采用静电纺丝技术得到纳米纤维膜，结合高温碳化方法制

3、备了高韧性的碳纳米纤维(CNFs),以其作为催化剂载体，通过真空浸渍的方法获得铜基催化剂。为了探索不同价态的铜基催化剂对苯乙烯环氧化反应中生成物的选择性的影响，进一步将其分为两种处理方法，第一种制备方法为通过高温高压加氢还原技术得到催化剂Cu-Cu2ONPs/CNFs，另一制备方案则是通过Cu(NO3)2·3H2O本身固有的受热易分解的化学性质，在高温下使硝酸铜充分分解，从而得到催化剂CuONPs/CNFs。两种催化剂分别应用于苯乙烯环氧化反应中，实验结果表明，在氧化反应中氧化态的铜基催化剂有助于生成物中苯甲醛的生成，选择性高达99%，以上两种方法得到的催化剂在反应中也

4、展示出了较高的循环稳定性。2.金属盐CuCl2·2H2O在498℃升华，通过内掺法，静电纺丝技术将其负载在纳2+米纤维上，得到Cu/PANNFs，经过700℃高温真空碳化得到铜基碳纳米纤维复合催化剂Cu/CNFs，可避免其升华的缺点，氯化铜被在碳化过程中产生的还原组分还原成2+零价铜。除此之外，在得到Cu/PANNFs的基础上，通过高温高压加氢还原技术，同样条件下的高温碳化技术得到的催化剂Cu-H2/CNFs，与前者通过一步法得到的催化剂作比较，分别应用于乌尔曼偶联反应中。与此同时，对乌尔曼偶联反应进行了底物拓展实验，也都得到了90%以上的转化率充分证明了制备的催化剂对

5、乌尔曼偶联反应具有普遍适应性。通过一步法制备的铜基碳纳米纤维复合催化剂Cu/CNFs在有机反应中体现了较高的循环使用性能和回收率。在此基础上，对制备的催化剂通过H2O2氧化10min,将得到的复合物作为赝电容器电极材料并考察其电化学性能。3.通过以上实验得到铜氧化物具有较好的电化学性能，根据实验组之前的研究成果表明，不同价态的钒氧化物负载在碳纳米纤维上应用到电极材料中时，在各种价I内蒙古工业大学硕士学位论文态的钒氧化物中V2O5/CNFs复合物的电化学性能最佳。在此基础上，通过V2O5/CNFs2+复合物浸渍CuCl2·2H2O水溶液，经过700℃高温碳化之后，Cu被还

6、原组分还原为0Cu，并与简单的H2O2氧化过程处理后得到赝电容电极材料V2O5-CuxO/CNFs,其中探索了钒盐与铜盐的质量比分别为1:0、5:1、1:1，随着金属铜含量的增加，其比电容值逐渐增加。综上所述，铜基碳纳米纤维复合材料在有机催化和超级电容器方面的应用均具有很好的性能，将为新型纳米铜基复合材料的制备与应用提供了新的思路和方法，同时也为双金属氧化物复合电极材料在超级电容器以及电池等领域方面提供了一定的理论基础。关键词：碳纳米纤维；铜基催化剂；有机催化；电极材料II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractCopperbasedmetalmaterialsand

7、preciousmetalssuchasgold,platinumandsilverhaveextremelysimilarpropertiesinmanyapplications.Theyarewidelyusedinoptical,electrochemistry,organiccatalyticreaction,biopharmaceuticalandelectronicdevices.However,asinglecopperbasedcatalystiseasytooxidize,difficulttorecycle,easyt