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氣相生長(zhǎng)納米炭纖維的研究進(jìn)展
（作者未知） 2009/5/10
1 氣相生長(zhǎng)納米炭纖維概述
炭纖維是一種主要以sp2雜化形成的一維結(jié)構(gòu)炭材料。根據(jù)其合成方式和直徑不同可分為：有機(jī)前軀體炭纖維（PAN基、粘膠絲基、瀝青基炭纖維）、氣相生長(zhǎng)炭纖維(Vapor-grown carbon fiber 簡(jiǎn)稱 VGCF)、氣相生長(zhǎng)納米炭纖維(Vapor-grown carbon nanofiber 簡(jiǎn)稱VGCNF)、炭納米管（carbon nanotube 簡(jiǎn)稱CNT），如圖1所示。自從1991年Iijima ［1］ 發(fā)現(xiàn)納米炭管以來(lái)，由于其特殊的物理性能和力學(xué)性能而引起科學(xué)家們的廣泛興趣，同時(shí)也促進(jìn)了氣相生長(zhǎng)炭纖維在納米尺度上即氣相生長(zhǎng)納米炭纖維的研究。
氣相生長(zhǎng)納米炭纖維一般以過(guò)渡族金屬Fe、Co、Ni 及其合金為催化劑，以低碳烴化合物為碳源，氫氣為載氣，在873 K～1 473 K下生成的一種納米尺度炭纖維。它與一般氣相生長(zhǎng)炭纖維(VGCF)所不同的是，納米炭纖維除了具有普通VGCF的特性如低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電等性能外，還具有缺陷數(shù)量非常少、比表面積大、導(dǎo)電性能好、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)，可望用于催化劑和催化劑載體、鋰離子二次電池陽(yáng)極材料、雙電層電容器電極、高效吸附劑、分離劑、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料等。Tibbetts［2］在研究了VGCF的物理特性以后，發(fā)現(xiàn)小直徑氣相生長(zhǎng)炭纖維的強(qiáng)度比大直徑的強(qiáng)度要大。
Endo［3］用透射電鏡觀察到氣相生長(zhǎng)法熱解生成的炭納米管和電弧法生成的炭納米管的結(jié)構(gòu)完全相同。所有這些，都使氣相生長(zhǎng)納米炭纖維的研制工作進(jìn)入了一個(gè)新階段。
另外，從圖1的直徑分布來(lái)看，納米炭纖維處于普通氣相生長(zhǎng)炭纖維和納米炭管之間，這決定了納米炭纖維的結(jié)構(gòu)和性能處于普通炭纖維和納米炭管的過(guò)渡狀態(tài)，因而，研究普通炭纖維、納米炭纖維、納米炭管的結(jié)構(gòu)和性能的差異將具有重要的意義。
2 氣相生長(zhǎng)納米炭纖維的制備方法與影響因素
劉華的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明VGCF的強(qiáng)度隨著直徑的減小而急劇增大［4］。Tibbetts［2］在研究VGCF的物理特性時(shí)，也預(yù)測(cè)小直徑的VGCF要比大直徑的VGCF強(qiáng)度要大得多。由于VGCF的直徑主要是由催化劑顆粒的大小來(lái)決定的［5］，因此大批量生產(chǎn)VGCNF的關(guān)鍵問(wèn)題是催化劑顆粒的細(xì)化。
目前，VGCNF的制備主要有三種方法：基體法［6，7］、噴淋法或者流動(dòng)催化劑法［8］和改進(jìn)的流動(dòng)催化劑法［9］。所謂的基體法是將石墨或陶瓷作基體，施以納米級(jí)催化劑顆粒做“種籽”， 高溫下通入碳?xì)錃怏w化合物，在催化劑的作用下碳?xì)錃怏w分解并在催化劑顆粒的一側(cè)析出納米級(jí)纖維狀炭。例如，Rodriguez［10］在基體上噴灑超細(xì)催化劑粉末，即用所謂的基體法高溫降解碳?xì)浠衔餁怏w制備出50 nm～80 nm的VGCNF。這種基體催化劑方法可以制備出高質(zhì)量的VGCNF。但是，超細(xì)催化劑顆粒的制備非常困難，在基體上噴灑不均勻，而且納米炭纖維只在有催化劑的基體上生長(zhǎng)，因而產(chǎn)量不高，不可能工業(yè)化生產(chǎn)。Tibbetts［8］用噴淋法或者流動(dòng)催化劑法在一個(gè)垂直的爐子里成功地制備出了50 nm～100 nm的VGCNF。雖然這種方法提供了大量制備VGCNF的可能性，但是由于催化劑與碳?xì)錃怏w化合物的比例難以優(yōu)化，噴灑過(guò)程中鐵顆粒分布不均勻，且噴灑的催化劑顆粒很難以納米級(jí)形式存在，因此在制備纖維的過(guò)程中納米級(jí)纖維所占比例少，而且總是伴有大量的炭黑生成。
為了解決以上兩種方法的不足，充分利用基體法和噴淋法各自的優(yōu)點(diǎn)，本研究小組用改進(jìn)的氣相流動(dòng)催化劑法，在水平反應(yīng)爐里，生長(zhǎng)出10 nm～100 nm的VGCNF［9］。改進(jìn)的流動(dòng)催化劑法的主要特征是，催化劑并不是附著在基體上，也不象制備VGCNF所用的噴淋法或者流動(dòng)催化劑法，將催化劑前驅(qū)體溶解在碳源溶液中，而是以氣體形式同碳?xì)錃怏w一起引入反應(yīng)室，經(jīng)過(guò)不同溫區(qū)完成催化劑和碳?xì)錃怏w的分解，分解的催化劑原子逐漸聚集成納米級(jí)顆粒，因此分解的碳原子在催化劑上將會(huì)以納米級(jí)形式析出纖維狀炭。由于從有機(jī)化合物分解出的催化劑顆粒可以分布在三維空間內(nèi)，因此其單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量可以很大，可連續(xù)生產(chǎn)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
兩種方法的不足，充分利用基體法和噴淋法各自的優(yōu)點(diǎn)，本研究小組用改進(jìn)的氣相流動(dòng)催化劑法，在水平反應(yīng)爐里，生長(zhǎng)出10 nm～100 nm的VGCNF［9］。改進(jìn)的流動(dòng)催化劑法的主要特征是，催化劑并不是附著在基體上，也不象制備VGCNF所用的噴淋法或者流動(dòng)催化劑法，將催化劑前驅(qū)體溶解在碳源溶液中，而是以氣體形式同碳?xì)錃怏w一起引入反應(yīng)室，經(jīng)過(guò)不同溫區(qū)完成催化劑和碳?xì)錃怏w的分解，分解的催化劑原子逐漸聚集成納米級(jí)顆粒，因此分解的碳原子在催化劑上將會(huì)以納米級(jí)形式析出纖維狀炭。由于從有機(jī)化合物分解出（未完，下一頁(yè)）
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