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2007年  第22卷  第04期

纳米孔“炭”和纳米孔“碳”——对碳质多孔材料的几点思考
杨全红
2007, 22(04): 289-294.
摘要(2669) PDF(538)
摘要:
对碳质纳米孔隙材料提出一种新的分类方法——基于孔壁结构分类。根据这种方法,碳质多孔材料分为:纳米孔“碳”(石墨烯纳米孔材料)和纳米孔“炭”(类石墨微晶纳米孔材料)。具有相近比表面积的两种碳质材料由于具有不同的孔壁结构而可能具有完全不同的物理化学性质(比如:电化学性质)。文中简要介绍了两种新型的纳米孔“碳”——单壁微孔“碳”和碳纳米管DNA杂化物以及区分纳米孔“碳”和纳米孔“炭”的重要判据:拉曼光谱。
功能性多孔炭材料在突发性环境污染事故中的应用
姜春明, 张宏哲, 张海峰, 赵永华, 袁纪武, 郭秀云, 邱介山
2007, 22(04): 295-301.
摘要(3347) PDF(978)
摘要:
多孔炭材料具有比表面积大、孔结构发达等优点,是应急处理泄漏油品、有毒化学品和废水的理想吸附剂。通过对多孔炭材料作为吸附剂在突发性环境污染事故中的应用研究进行了归纳和总结,对多孔炭材料在突发性环境污染事故中的应用前景及未来工作进行了评述和展望。讨论了突发性环境污染事故应急处置过程中基于多孔炭材料的合理技术路线和工艺条件,指出研发新型功能性多孔炭材料及做好基础数据的积累是今后研究工作的努力方向。
纳米结构的炭钌复合物—一种提高超级电容器性能的电极材料(英文)
崔光磊, 周新红, 智林杰, Arne Thomas, Klaus Müllen
2007, 22(04): 302-306.
摘要(2695) PDF(933)
摘要:
报道了一种利用氧化硅模板,裂解简单易得的含钌有机物制备纳米结构炭/钌复合物的方法。在该复合物中,钌纳米颗粒均匀地分布在多孔的炭基体中。该复合物被电氧化所得炭/RuO2·xH2O的超级电容性质明显提高(10mV/s时229F/g )。
硝酸氧化改性SBA-15 模板合成的中孔炭电容性能研究(英文)
王大伟, 李 峰, 刘 敏, 成会明
2007, 22(04): 307-314.
摘要(2785) PDF(841)
摘要:
采用有序中孔氧化硅SBA-15为模板,合成了具有高效能量存储的超级电容器电极材料——有序中孔炭材料;以硝酸为氧化剂,分别在26℃、50℃、70℃和100℃下对中孔炭进行了表面官能化处理。结合氮气等温吸附、X射线光电子能谱和热分析方法研究了氧化前后中孔炭孔结构和表面官能团的演化。结果表明:随着氧化温度的升高,比表面积和中孔含量减少,而表面官能团含量增加。电化学测试显示:原始中孔炭的能量密度为3.5Wh/kg,100℃氧化的中孔炭具有最高的能量密度(5.7Wh/kg)。表明硝酸官能化处理可将中孔炭材料应用范围拓展到高能量密度领域。同时初始中孔炭的功率密度为2015W/kg,70℃氧化的中孔炭具有最高的功率密度(3125W/kg)。研究表明能量密度的改善得益于表面官能化对双电层电荷密度的提高和引入了法拉第赝电容反应;而功率密度的提高来自亲水性的官能化炭表面所具有的低离子扩散阻力。
甲烷催化裂解制备毛线状炭纤维及其微观结构
张华, 史景利, 郭全贵, 王坤杰, 赵建国, 刘朗
2007, 22(04): 315-320.
摘要(3907) PDF(853)
摘要:
以甲烷为碳源,硫酸亚铁为催化剂前驱体,通过化学气相沉积在石墨基板上制得毛线状炭纤维。扫描电子显微镜观察得知所制炭纤维具有毛线状结构,由许多直径更小的子纤维交叉合并而成。单束毛线状炭纤维的直径为4μm~8μm。高分辨透射电子显微镜显示构成纤维的碳层排列不平直,存在偏转角,有序排列的碳层被分割成许多有序微晶区域。进一步采用X射线衍射和激光拉曼光谱等分析手段对其微观结构进行表征,表明毛线状炭纤维中碳层排列有序度较高,石墨微晶尺寸较大(La≈5nm),层间距较小(d002=0.340nm)。推测毛线状炭纤维生长机理符合“吸附扩散析出”过程,形成毛线状结构主要由催化剂颗粒直径决定。
由柏木制备纳米孔结构炭材料II.电双层电容器中的应用(英文)
2007, 22(04): 321-326.
摘要(2303) PDF(815)
摘要:
通过过热蒸气活化法制备的柏木炭中含有大量的中孔,可用于制备以1mol/L硫酸为电解液的双电层电容器(EDLCs)。在50mA/g电流密度下,柏木炭的质量比电容(C50)为190F/g;在1000mA/g电流密度下,其质量比电容(C1000)为140F/g。按C1000/C50定义的性能倍率约为0.72。测得的高电容量可归因于微孔和大孔所造成表面的贡献。以简易浸泡法负载少量NiO粒子后,柏木炭的质量比电容可以提高约13%,体积比电容提高约27%,而其性能倍率保持不变。
PyC/SiC界面相对PIP法制备3D HTA C/SiC复合材料性能的影响(英文)
朱云洲, 黄政仁, 董绍明, 袁明, 江东亮
2007, 22(04): 327-331.
摘要(2445) PDF(785)
摘要:
利用三维编织炭纤维预制件通过先驱体浸渍裂解法制备C/SiC复合材料。研究了热解碳(PyC)/SiC界面相对复合材料的微观结构和力学性能的影响。弯曲性能通过三点弯曲法测试,复合材料的断口和抛光面通过扫描电镜观察。结果表明:通过等温化学气相沉积法在纤维表面沉积PyC/SiC界面相以后,复合材料的三点抗弯强度从46MPa提高到247MPa。沉积界面的复合材料断口有明显的纤维拔出现象,纤维与基体之间的结合强度适当,起到了增韧作用;而未沉积界面相复合材料的断口光滑、平整,几乎没有纤维拔出,纤维在热解过程中受到严重的化学损伤,性能下降严重,材料表现为典型的脆性断裂。
水中电弧法制备碳纳米葱
姜鹏, 姚可夫
2007, 22(04): 332-336.
摘要(2048) PDF(520)
摘要:
采用水介质中石墨电极直流电弧放电法大量制备了高质量碳纳米葱(又称洋葱状富勒稀),借助Raman光谱仪和高分辨透射电镜(HRTEM)对制备产物进行了结构表征和几何形貌分析。实验结果表明:水介质中石墨电弧法制备的碳纳米产物主要聚集在水面附近和容器底部,放电电流大小对水面附近和容器底部产物的组成和形貌有显著影响。在放电电流约为40A时,水面附近产物是直径为5nm~20nm的球形、洋葱状碳纳米葱。其产率约4.3mg/min。研究结果表明:采用水介质中石墨电弧法能大量制备高质量的碳纳米葱。
水或液氮中电弧放电制备炭纳米材料(英文)
邢刚, 贾申利, 史宗谦
2007, 22(04): 337-341.
摘要(2433) PDF(737)
摘要:
利用特制的电弧放电装置,研究了水或液氮中碳电弧放电形成炭纳米材料的机理。借助高分辨率透射电子显微镜对电弧放电生成的产物进行了观察和分析。结果表明:在水或液氮中碳电弧放电可以生成多壁碳纳米管和碳纳米洋葱结构,液氮中碳电弧放电可以生成单壁碳纳米角,水中钴催化碳电弧放电可以生成碳包裹的纳米钴颗粒。横向低频交变磁场会影响碳纳米材料的形核过程,并且可以推测磁场交变的频率5Hz与纳米管、纳米洋葱等结构的生长周期存在某种拟合。根据实验现象,提出了一种解释液体中碳电弧放电过程纳米材料生成的理论模型。
HClO4-GIC的制备及其柔性石墨的性能
魏兴海, 刘朗, 张金喜, 史景利, 郭全贵
2007, 22(04): 342-348.
摘要(2700) PDF(807)
摘要:
以天然鳞片石墨、高氯酸、硝酸为原料,采用化学法经插层、水洗、干燥、膨化等工艺过程制备膨胀石墨;以石墨蠕虫的膨胀体积为判据,采用正交实验方法确定工艺参数对石墨蠕虫膨胀体积的影响大小:探讨了反应温度、时间、膨化温度,GIC的挥发分对膨胀体积的影响;利用XRD表征了天然鳞片石墨、酸化石墨、柔性石墨的微观结构;利用EDS确定了插入物为HClO4;并对制备的柔性石墨的力学、电/热性能进行了测试。结果表明:工艺参数影响大小依次为反应温度、高氯酸/硝酸间的配比及反应时间、鳞片石墨/高氯酸间的配比。在较宽的温度范围内(室温~100℃),可容易地制备出GIC,且能在低温200℃下膨化。以最佳工艺条件:鳞片石墨∶高氯酸∶硝酸=1 ∶4∶0.15(质量比)制备的GIC,在200℃下膨化,可以制备出膨胀体积达360mL/g的膨胀石墨;在高温900℃下膨化,可以制备出膨胀体积达540mL/g的高倍膨胀石墨。石墨蠕虫经压制成型制备的柔性石墨的抗拉强度、电阻率同其表观体积密度存在密切的相关性,密度增加,抗拉强度增加,电阻率下降;其电阻率与导热率间也存在密切的相关性,电阻率下降,导热率提高,且其导热率高于同电阻率的人造炭/石墨材料的导热率。
基于RBF神经网络的添加剂改性炭材料高温黏结剂的性能预报模型
杨榛, 顾幸生, 梁晓怿, 张睿, 凌立成
2007, 22(04): 349-354.
摘要(2965) PDF(854)
摘要:
在炭材料黏结剂添加剂改性实验数据的基础上,将神经网络方法用于研究添加剂配方和热处理温度对黏结强度的影响关系,建立了添加剂改性炭材料黏结剂的RBF(Radial Basis Function径向基函数)神经网络性能预报模型,并与BP(BackPropagation逆传播)人工神经网络进行了预报精度和训练过程比较。结果表明:上述两种模型对于黏结强度的预报平均相对误差分别为0.0127和0.0600,且BP人工神经网络易陷入局部最小。因此,RBF神经网络模型的预报能力较好,得出了具有较精确黏结性能的添加剂配方和热处理数据。可望在炭材料黏结剂改性中的多变量、非线性体系中提高实验工作效率,为炭材料黏结剂提供一条有应用前景的理论设计途径。
高性能活性炭电极材料在双电层电容器中的应用
刘亚菲, 胡中华, 任炼文, 杨静, 陈晓妹
2007, 22(04): 355-360.
摘要(2570) PDF(846)
摘要:
以椰壳为原料,ZnCl2为活化剂,用同步物理-化学活化法制备活性炭。所得的炭样品用氮吸附法表征,并根据77K时的吸附脱附等温线计算了它们的比表面和孔结构参数。用恒流充放电和循环伏安法研究了由活性炭电极与KOH电解质构成的双电层电容器的性能。结果显示,在5mA时放电,活性炭比电容最高达到360F/g;在大电流50mA时,比容量仍超过200F/g。同时分析研究了炭材料比表面积和孔径对电化学性能的影响,发现比表面积与比电容关联性不明显;而孔径大小对炭材料的比电容影响很大。在小电流放电时,中孔炭表面对比电容的贡献明显大于微孔炭表面;随着放电电流的增加,由中孔炭表面构成的双电层电容下降显著,而微孔炭表面的双电层电容下降幅度较小。在大电流放电时,孔径在1.5nm~2nm的较大微孔对储存电能起主要作用。
纳米炭复合物导电剂改进LiCoO2阴极的电化学性能(英文)
张庆堂, 瞿美臻, 牛洪, 于作龙
2007, 22(04): 361-364.
摘要(2644) PDF(540)
摘要:
采用超声方法制备了多壁碳纳米管(MWCNTs)/乙炔黑(AB)复合物(NCCs),并用NCC作为锂离子电池LiCoO2阴极的导电剂,考察了NCC对LiCoO2阴极的电化学性能影响。结果表明:NCC作导电剂的LiCoO2阴极的电化学性能(包括首次放电比容量和容量保持率)优于MWCNTs和AB分别单独作导电剂的LiCoO2阴极的电化学性能。原因归结为两个方面:(1)NCC形成了比MWCNTs或者AB更有效的导电网络;(2)NCC和LiCoO2颗粒之间存在稳定有效的接触。
新型定向碳纳米管/炭复合材料的制备与表征
李志, 巩前明, 王野, 梁吉, 黄启忠, 熊翔, 易茂中, 黄伯云
2007, 22(04): 365-370.
摘要(2815) PDF(827)
摘要:
采用化学气相沉积(CVD)方法制备了厚度超过4mm的定向碳纳米管(ACNTs)阵列,并以此为骨架,利用化学气相渗(CVI)工艺制备了新型的定向碳纳米管/炭(ACNT/C)复合材料。利用SEM、PLM、XRD、TGA和Raman光谱对ACNT/C复合材料进行了表征。结果表明:ACNT/C复合材料中的热解炭主要为类粗糙层(RL)结构,而在相同工艺条件下制备的炭/炭(C/C)复合材料的热解炭为典型的光滑层(SL)结构。ACNT/C复合材料晶化程度明显优于相同工艺条件下的C/C复合材料。同时,ACNT/C复合材料在空气中的热失重转变温度比相同工艺条件下制备的C/C复合材料提高了约50℃左右。
Fe3 O4包覆碳纳米管软磁性纳米复合微粒的制备及性能
蒋峰景, 浦鸿汀, 杨正龙, 殷俊林
2007, 22(04): 371-374.
摘要(2365) PDF(856)
摘要:
用水解沉淀法在碳纳米管(CNTs)外包覆Fe3O4,制备了CNTs/Fe3O4纳米复合磁性微粒,借助透射电镜、振动探针式磁强计和外加磁场黏度计对其微观形貌、静态磁性能、沉降稳定性和磁流变性能进行了研究。结果表明:Fe3O4在碳纳米管(直径约20nm)表面形成了紧密的包覆层,微粒呈一维纳米管状结构,平均管径约60nm,平均表观密度为1.8g/cm3,为传统磁流变液中所用铁粉等软磁性颗粒密度的四分之一。复合微粒的磁滞回线与Fe3O4纳米颗粒较为相似,具有较好的软磁性,其饱和磁感应强度(Bs)为0.21T,矫顽力(Hc)为7.67kA/m,用该软磁性复合微粒配制的磁流变液具有良好的沉降稳定性和磁流变特性。
碳纳米管加载量对复合材料吸波性能的影响
孙晓刚
2007, 22(04): 375-378.
摘要(4462) PDF(739)
摘要:
将不同质量分数的碳纳米管和环氧树脂充分混合,制成复合吸波涂料并涂覆在铝板上制成吸波涂层。采用TEM对碳纳米管的形貌进行观察。使用反射率扫频测量系统HP8757E标量网络分析仪检测复合材料的吸波性能。结果表明,复合材料在2GHz~18GHz均有良好的吸波性能。碳纳米管加载质量分数为8%和10%时,复合材料吸波性能最佳。8%碳纳米管加载量,峰值最大,达到~22.55dB,波峰出现在12.32GHz,带宽分别为2.56GHz(R<-8dB)和4.00GHz(R<-5dB)。10%碳纳米管添加量,带宽最大,分别达到2.80GHz(R<-8dB)和7.00GHz (R<-5dB),波峰出现在13.67GHz,峰值为-14.59dB。
Ar离子轰击高定向石墨表面结构变化的X射线光电子能谱分析
刘黎明, 杨培志, 黄宗坦
2007, 22(04): 379-382.
摘要(2204) PDF(974)
摘要:
用X射线光电子能谱(XPS)研究了3.0keV Ar离子轰击高定向裂解石墨(HOPG)引起的表面结构的变化。通过对C1s、C KLL及C2s谱峰形状的定性和定量分析,表明Ar离子轰击将破坏共价π键并导致表面局域sp2杂化C键向sp3杂化C键转化。sp3/sp2之比依赖于离子轰击时间。