气相生长纳米炭纤维的研究进展
(3) 为了高效率生长VGCNF，催化剂一直是研究的热点。Baker发现在铁磁性金属中添加第二种金属可以改变炭纤维的生长特性，产生非常高的有序结构［13］，生长多种形态的炭纤维。而且可以减少催化剂颗粒直径，VGCF的产量和生长速率也有所提高［14］。人们也发现往过渡族金属(Fe、 Co、 Ni) 中引入第二种金属同样也能影响VGCNF的形貌和特性［6, 7］.Chambers 等 在研究往Co里加入Cu对VGCNF的结构和性能的影响后, 发现所制备的VGCNF具有非常高的结晶性［7］。
另外, Rodriguez ［6］ 用纯铁作催化剂制备出石墨片层平行于纤维轴向的ribbon 型的纳米炭纤维; 用Fe-Cu (7:3)作催化剂制备出石墨片层与纤维轴向呈一定角度的 herringbone 型的纳米炭纤维; 用硅基铁作催化剂制备出石墨片层垂直
于纤维轴向的纳米炭纤维。所有这些现象都说明了催化剂颗粒的特性影响着纳米炭纤维的生长。
总之，氢气的分压、催化剂的选取、碳氢化合物的流量、微量元素的加入都会影响炭纤维的生长，对于VGCNF的制备，所有这些因素都必须加以考虑。
3 气相生长纳米炭纤维的生长机理
一般认为，VGCNF与VGCF一样是由两种不同结构的炭组成的，内层是结晶比较好的石墨片层结构（即纳米炭管），外层是一层很薄的热解炭，中间是中空管。这些结构特性决定了VGCNF两个不同的生长历程。即先是在催化剂表面气相生长纳米纤维，然后是在其上面热解炭沉积过程。其中，在催化剂表面气相生长纳米炭纤维可以分为以下几个过程：
(1) 碳氢气体化合物在催化剂表面的吸附；
(2) 吸附的碳氢化合物催化热解并析出碳；
(3) 碳在催化剂颗粒中的扩散；
(4) 碳在催化剂颗粒另一侧的析出，纤维生长；
(5) 催化剂颗粒失活，纤维停止生长。
目前，世界各国的科学家对VGCNF的生长机理还没有一个统一的认识，在许多方面还有争议。
例如：碳在催化剂颗粒中的扩散是靠温度梯度为推动力还是靠浓度梯度为推动力；真正起催化作用的是金属单质还是金属碳化物至今也是一个争论的焦点。
Oberlin ［5］ 用Fe-苯-H2体系生成了VGCF，并对催化剂颗粒的电子衍射进行分析，发现有渗碳体Fe3C的存在。Audier［15］用选区电子衍射技术也发现了Fe5C2和Fe3C的存在。Baker［16］在研究了各种Fe的氧化物和碳化物的反应活性之后不同意渗碳体有催化活性的观点。当用很高浓度的渗碳体做催化剂时，没有发现炭纤维生长。
Yang在研究H2对碳降解的作用时发现，Fe3C表面对苯的热解无活性，通H2后恢复了金属性，则生长炭纤维的活性也恢复了。尽管金属碳化物有催化活性的说法与实验结果不符合，但碳化物的表面作用不可忽视。
另外，碳在催化剂颗粒中的扩散是靠温度梯度为推动力还是靠浓度梯度为推动力也是一个争论的焦点。最初，Baker ［16］ 假定碳在催化剂颗粒中的扩散是靠温度梯度为推动力的。碳氢气体化合物在催化剂颗粒一侧放热分解，而在另一侧吸热析出。这样，就在催化剂颗粒中存在一个温度差，从碳氢气体化合物分解出的碳原子在这种温度梯度的作用下从催化剂颗粒的另一侧析出，生长炭纤维。
而Holstein ［18］ 则认为碳在催化剂颗粒中的扩散是等温扩散，是靠浓度梯度为推动力的。Rostrup-Nielsen和Trimm［19］也认为碳在催化剂颗粒中的扩散是靠浓度梯度为推动力的。Holstein和Boudart［20］通过计算得出当金属催化剂表面发生放热反应的时候，在气体/金属界面和金属/纤维界面所产生的温度差小于0.1K可以忽略。另外，Rostrup-Nielsen［19，21］也发现在催化剂颗粒表面发生吸热反应的纤维生长。因此，他们认为碳在催化剂颗粒的扩散是靠浓度梯度为推动力而不是靠温度梯度为推动力的。不论靠什么作推动力，炭纤维的生长速度主要由碳原子在催化剂颗粒中的扩散速率决定，则是不容置疑的［18］。当催化剂表面被热解碳完全覆盖而失去催化活性时，纤维就停止生长。
对于碳氢气体化合物催化热解析出碳和催化剂失活的问题，许多科学家研究了金属与气体的界面反应。碳作为碳氢气体热解的最终产物有三种聚集状态：颗粒、片状及纤维状。随着反应条件不同，三种形态所占的比例将有所变化。当碳氢气体分子与催化剂颗粒相撞时，碳－氢、碳－碳键被削弱，再与气氛中的氢作用，各原子将重新组合，有人认为这时将产生一种活性很高的过渡态碳原子［22］,它继续变化的方向有以下几个：
(1) 再与吸附在铁表面的氢和碳氢化合物结合;
(2) 与同类碳原子相连形成表面包覆碳;
(3) 进行催化剂体内扩散;
(4) 析出、连续长出炭纤维;
其中(2)与催化剂失活有关。
尽管上述生长过程，为典型的晶须状纤维提供了一个合理的解释，但对于分叉状、多方向状、螺旋状VGCF却不能自圆其说。对于VGCF的分叉现象，可能是由于碳以固态形式从催化剂中析出，这会对催化剂颗粒产生排挤力，这种排挤作用可能会使催化剂颗粒分裂为两个或更多的小颗粒，这些小颗粒对纤维的生长仍然起着催化作用，结果
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