銅鎳合金粒子催化生長碳纖維

摘 要：通過氫電弧法，制備了銅鎳合金粒子，并以合金粒子為催化劑，氫氣為還原氣，乙炔為碳源，在管式爐中制備了納米碳纖維。利用XRD，高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM），能量色散譜儀（EDS）分別對銅鎳粒子進行成分及元素分析，對碳纖維的形貌特征進行了分析表征。

關鍵詞：氫電弧法；銅鎳粒子；納米碳纖維

中圖分類號：TQ153.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 18-0000-01

由于在科技領域的巨大潛在應用，納米碳纖維及納米碳管引起多方面的關注。化學氣相沉積法一直被廣泛的應用在納米碳纖維的生產中[1]，而催化劑在反應中起到關鍵性的作用[2]。

一、實驗部分

（一）電弧法制備銅鎳納米粒子。（1）先將反應室真空抽至4Pa，再充入氬氣和氫氣的混合氣體，氫氣：氬氣=2：5；（2）接通直流電源，控制反應電壓在45V，反應電流在20A左右，電極距離保持在4-5mm之間；（3）兩電極之間形成穩定的電弧，使電極中的銅鎳金屬熔化，蒸發形成煙灰；（4）反應結束后，收集附在反應器壁上的納米銅鎳復合粉體。

（二）制備碳纖維。利用制備的銅粒子來制備碳纖維的過程如下：將硅基底鍍銅后放入瓷舟內，將瓷舟放入碳纖維制備裝置的石英管中，將系統抽真空，隨后開始加熱。當溫度升到設定溫度350°C后，通入乙炔至大氣壓，恒溫10分鐘，然后自然冷卻至室溫后取出反應產物。

二、結果與討論

（一）銅鎳納米粒子的表征。（1）銅鎳粒子的HRTEM表征。Fig.1 HR-TEM images of Cu-Ni alloy nanoparticles.The insets are microstructure and SAED of the box region.圖1所示的是銅鎳合金納米粒子的高分辨電鏡圖，這些粒子呈球形鏈狀結構且直徑小于40nm，框形插圖的區域顯示晶面間距是0.1794nm，而Cu0.81Ni0.19（200）面的晶面間距為0.1796nm，與框圖區域的晶面間距非常接近，因此推測這個面為銅鎳合金的（200）面，這個結果與選區電子衍射花樣顯示的是一致的。而晶面間距的減小可能是銅鎳的（200）面間距中和的結果，因為鎳的（200）面的間距比銅的（200）面的間距小，（d Ni （200）=0.1762nm，d Cu（200）=0.1808nm）。（2）銅鎳粒子的XRD表征。XRD，X射線衍射，通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，分析材料成分。此實驗得到的數據顯示的是Cu、Cu0.81Ni0.19和Ni的峰，位于43.640°、51.040°和75.200°的峰分別對應著Cu0.81Ni0.19（JCPDS No.47-1406）的（111），（200）和（220）面，同時也顯示了銅和鎳的峰，造成這種情況有兩個原因：1）通過氫電弧法得到的產物是銅，鎳，和銅鎳合金的混合物；2）銅，鎳峰的出現是來源于純凈的銅鎳合金。所以通過XRD的分析不能認為得到的就是銅鎳合金。（3）銅鎳粒子的EDS表征。EDS分析是用來確定產品的化學組成。通過合金粒子的EDS譜和成分分析得知：試樣中銅的質量分數為83.13%，鎳的質量分數為16.87%，銅所占的原子比例為81.99%，鎳所占的原子比例是18.01%。銅和鎳的比例非常接近Cu0.81Ni0.19，對比之前的XRD的分析結果，可以排除銅、鎳單質的存在，推測這個產物是純凈的Cu0.81Ni0.19，由此可知，通過電弧法制備的產物是銅鎳合金，且產物非常純凈。

（二）納米碳纖維的表征。（1）碳纖維的XRD表征。通過對碳纖維的XRD分析，可得到（a）銅鎳納米粒子及其（b）催化制備的納米碳纖維的數據，分析后認為，在b的低角度區域，出現一個分布比較寬的衍射峰，而衍射圖譜中沒有出現石墨態碳的衍射峰，說明以此制備的碳纖維是非晶態的，在較高角度區域的幾個吸收峰，是典型的銅鎳納米粒子的吸收峰，而圖中b的峰明顯不如a中峰型尖銳，由此說明在生長碳纖維的過程中，銅鎳合金粒子表面基本被碳覆蓋。（2）碳纖維的HRTEM表征。Fig.2 HRTEM patterns of carbon nanofibers catalyzed by Cu-Ni alloy。圖2是位于納米碳纖維中間的球形或橢球形粒子的晶體結構的HRTEM圖，圖中催化生長碳纖維的球形或橢球形的納米粒子都有相同的角度90°，框形區域是局部的放大圖，晶格條紋很明顯的顯示面間距是0.182nm，而Cu0.81Ni0.19的（200）面的晶面間距為0.1796nm，兩值非常接近，所以推測此面是（200）面，與圖3-1的結果是一致的，有趣的是（100）面的夾角是90°，與兩纖維的夾角是一樣的。

三、結束語

（1）通過氫電弧法制備的銅鎳納米粒子呈鏈狀，粒徑大概在50nm左右，分散性較好，得到的產物純凈，沒有其他雜質。

（2）以制得的銅鎳合金粒子為催化劑，熱解乙炔催化生長碳纖維。碳纖維呈直線形或螺旋形生長，催化劑粒子位于纖維中間部位，形狀也從之前的不規則的鏈狀變為球形或橢球形，兩纖維之間的夾角是90°。

參考文獻：

[1]Perez-Cabero M，Rodriguez-RamosI，Guerrero-Ruiz A.J Catal，2003（215）：305.

[2]Jiang X，Herricks T，Xia Y.Nano Let 2002（02）：1333.

[作者簡介]李雙翠（1986-），女，助教，研究方向：納米粒子催化生長碳纖維。