1 气相成长纳米炭纤维概述
炭纤维是一种首要以sp2杂化形成的一维结构炭材料。凭据其合成体式格局和直径分歧可分为：有机前躯体炭纤维（PAN基、粘胶丝基、沥青基炭纤维）、气相成长炭纤维(Vapor-grown carbon fiber 简称 VGCF)、气相成长纳米炭纤维(Vapor-grown carbon nanofiber 简称VGCNF)、炭纳米管（carbon nanotube 简称CNT），如图1所示。自从1991年Iijima ［1］ 发现纳米炭管以来，因为其出格的物理机能和力学机能而引起科学家们的普遍快乐喜爱，同时也促进了气相成长炭纤维在纳米尺度上即气相成长纳米炭纤维的研究。
气相成长纳米炭纤维日常以过渡族金属Fe、Co、Ni 及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，氢气为载气，在873 K～1 473 K下生成的一种纳米尺度炭纤维。它与日常气相成长炭纤维(VGCF)所分歧的是，纳米炭纤维除了具有通俗VGCF的特征如低密度、高比模量、高比强度、高导电等机能外，还具出缺陷数目异常少、比外面积年夜、导电机能好、结构致密等优点，可望用于催化剂和催化剂载体、锂离子二次电池阳极材料、双电层电容器电极、高效吸附剂、星散剂、结构增强材料等。Tibbetts［2］在研究了VGCF的物理特征往后，发现小直径气相成长炭纤维的强度频年夜直径的强度要年夜。
Endo［3］用透射电镜视察到气相成长法热解生成的炭纳米管和电弧法生成的炭纳米管的结构完全不异。全数这些，都使气相成长纳米炭纤维的研制工作进入了一个新阶段。
其余，从图1的直径分布来看，纳米炭纤维处于通俗气相成长炭纤维和纳米炭管之间，这决意了纳米炭纤维的结构和机能处于通俗炭纤维和纳米炭管的过渡状况，因而，研究通俗炭纤维、纳米炭纤维、纳米炭管的结构和机能的差异将具有主要的意义。
2 气相成长纳米炭纤维的制备方式与影响成分
刘华的执行效果注解VGCF的强度跟着直径的减小而急剧增年夜［4］。Tibbetts［2］在研究VGCF的物理特征时，也展望小直径的VGCF要频年夜直径的VGCF强度要年夜得多。因为VGCF的直径首若是由催化剂颗粒的巨细来决意的［5］，是以多量量出产VGCNF的要害题目问题是催化剂颗粒的细化。
此刻，VGCNF的制备首要有三种方式：基体法［6，7］、喷淋法概略行为催化剂法［8］和改造的行为催化剂法［9］。所谓的基体法是将石墨或陶瓷作基体，施以纳米级催化剂颗粒做“种籽”， 高温下通入碳氢气体化合物，在催化剂的浸染下碳氢气体分化并在催化剂颗粒的一侧析出纳米级纤维状炭。例如，Rodriguez［10］在基体上喷洒超细催化剂粉末，即用所谓的基体法高温降解碳氢化合物气系统编制备出50 nm～80 nm的VGCNF。这种基体催化剂方式可以制备出高质量的VGCNF。然则，超细催化剂颗粒的制备异常难题，在基体上喷洒不屈均，而且纳米炭纤维只在有催化剂的基体上成长，因而产量不高，不概略产业化出产。Tibbetts［8］用喷淋法概略行为催化剂法在一个垂直的炉子里成功地制备出了50 nm～100 nm的VGCNF。虽然这种方式供给了年夜量制备VGCNF的概略性，然则因为催化剂与碳氢气体化合物的比例难以优化，喷洒过程中铁颗粒分布不屈均，且喷洒的催化剂颗粒很难以纳米级形式存在，是以在制备纤维的过程中纳米级纤维所占比例少，而且老是伴有年夜量的炭黑生成。
为认识决以上两种方式的不足，充裕行使基体法和喷淋法各自的优点，本研究小组用改造的气相行为催化剂法，在水平回响反映炉里，成长出10 nm～100 nm的VGCNF［9］。改造的行为催化剂法的首要特征是，催化剂并不是附着在基体上，也不象制备VGCNF所用的喷淋法概略行为催化剂法，将催化剂前驱体消融在碳源溶液中，而是以气体形式同碳氢气体一路引入回响反映室，经由分歧温区完成催化剂和碳氢气体的分化，分化的催化剂原子慢慢群集成纳米级颗粒，是以分化的碳原子在催化剂上将会以纳米级形式析出纤维状炭。因为从有机化合物分化出的催化剂颗粒可以分布在三维空间内，是以其单元时刻内产量可以很年夜，可一连出产，有利于产业化出产。
影响气相成长炭纤维的成分许多，研究也较充裕，如氢气的纯度、碳氢气体化合物的分压、氢气和碳氢气体化合物的比例、回响反映温度、催化剂（颗粒巨细、外形、结晶结构）的拔取、气体的流量、微量元素的添加（如S）等都邑影响到VGCF的成长。因为VGCNF和VGCF一样也是双层结构，即由两种分歧结构的炭组成，内部是结晶水平对照好、具有理想石墨结构、中央空心的初期纤维；外层是结晶水平对照差、具有乱层结构的热解炭层［9］。是以，影响气相成长炭纤维的成分，也将影响着VGCNF的成长。
(1) 氢气除了作载气外，还用以将Fe、Co、Ni等的金属化合物还原成为起催化浸染的Fe、Co、Ni等单质。其余，还具有下列浸染：(a)H2在金属外面上的化学吸附可以避免石墨炭层的凝聚回响反映；(b)H2在金属外面上的化学吸附也可以弱化金属与金属间的连系力，使金属颗粒的巨细适合于成长炭纤维［10］；(c)H2的存在也可以使催化剂颗粒重构，以形成可以年夜量吸附碳氢化合物的外面［11］。
(2) 其余元素如硫的插手对VGCF的成长也发生很年夜影响，Kim［12］在研究硫的吸附与碳在Co做催化剂析出时的相关浸染时发现：少量的硫可以促进金属外面的重构，提防催化剂失落活。硫量过年夜，则会生成过多的硫化物，按捺催化剂的催化活性。其余，少量的硫也可以促进催化剂颗粒盘据，这对于成长高质量的纳米级VGCF具有异常主要的浸染。
(3) 为了高遵守成长VGCNF，催化剂一贯是研究的热点。Baker发此刻铁磁性金属中添加第二种金属可以改变炭纤维的成长特征，发生异常高的有序结构［13］，成长多种形态的炭纤维。而且可以裁减催化剂颗粒直径，VGCF的产量和成长速度也有所提高［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的描摹和特征［6, 7］.Chambers 等 在研究往Co里插手Cu对VGCNF的结构和机能的影响后, 发现所制备的VGCNF具有异常高的结晶性［7］。
其余, 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必然角度的 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。全数这些现象都声名了催化剂颗粒的特征影响着纳米炭纤维的成长。
总之，氢气的分压、催化剂的拔取、碳氢化合物的流量、微量元素的插手都邑影响炭纤维的成长，对于VGCNF的制备，全数这些成分都必需加以考虑。
3 气相成长纳米炭纤维的成长机理
日常感受，VGCNF与VGCF一样是由两种分歧结构的炭组成的，内层是结晶对照好的石墨片层结构（即纳米炭管），外层是一层很薄的热解炭，中央是中空管。这些结构特征决意了VGCNF两个分歧的成长过程。即先是在催化剂外面气相成长纳米纤维，然后是在其上面热解炭沉积过程。其中，在催化剂外面气相成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外面的吸附；
(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，纤维成长；
(5) 催化剂颗粒失落活，纤维避免成长。
此刻，全国列国的科学家对VGCNF的成长机理还没有一个统一的熟悉，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鼓动力照样靠浓度梯度为鼓动力；真正起催化浸染的是金属单质照样金属碳化物至今也是一个争论的焦点。
Oberlin ［5］ 用Fe-苯-H2系统生成了VGCF，并对催化剂颗粒的电子衍射进行剖析，发现有渗碳体Fe3C的存在。Audier［15］用选区电子衍射手艺也发现了Fe5C2和Fe3C的存在。Baker［16］在研究了各类Fe的氧化物和碳化物的回响反映活性之后不赞成渗碳体有催化活性的概念。当用很高浓度的渗碳体做催化剂时，没有发现炭纤维成长。
Yang在研究H2对碳降解的浸染时发现，Fe3C外面临苯的热解无活性，通H2后规复了金属性，则成长炭纤维的活性也规复了。尽管金属碳化物有催化活性的说法与执行效果不相符，但碳化物的外面浸染弗成轻忽。
其余，碳在催化剂颗粒中的扩散是靠温度梯度为鼓动力照样靠浓度梯度为鼓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鼓动力的。碳氢气体化合物在催化剂颗粒一侧放热分化，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化出的碳原子在这种温度梯度的浸染下从催化剂颗粒的另一侧析出，成长炭纤维。
而Holstein ［18］ 则感受碳在催化剂颗粒中的扩散是等温扩散，是靠浓度梯度为鼓动力的。Rostrup-Nielsen和Trimm［19］也感受碳在催化剂颗粒中的扩散是靠浓度梯度为鼓动力的。Holstein和Boudart［20］经过过程策画得出当金属催化剂外面发生放热回响反映的时刻，在气体/金属界面和金属/纤维界面所发生的温度差小于0.1K可以忽略。其余，Rostrup-Nielsen［19，21］也发此刻催化剂颗粒外面发生吸热回响反映的纤维成长。是以，他们感受碳在催化剂颗粒的扩散是靠浓度梯度为鼓动力而不是靠温度梯度为鼓动力的。岂论靠什么作鼓动力，炭纤维的成长速度首要由碳原子在催化剂颗粒中的扩散速度决意，则是不容置疑的［18］。当催化剂外面被热解碳完全笼盖而失?催化活性时，纤维就避免成长。
对于碳氢气体化合物催化热分化出碳和催化剂失落活的题目问题，许多科学家研究了金属与气体的界面回响反映。碳作为碳氢气体热解的最终产物有三种群集状况：颗粒、片状及纤维状。跟着回响反映前提分歧，三种形态所占的比例将有所转变。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
