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2020年  第35卷  第3期

Graphical Contents
2020, 35(3): .
摘要(50) PDF(99)
摘要:
低温CVD法制备石墨烯的研究进展
王佳斌, 任壮, 侯莹, 闫晓丽, 刘培植, 张华, 章海霞, 郭俊杰
2020, 35(3): 193-208. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60484-X
摘要(381) PDF(291)
摘要:
石墨烯是一种由sp2杂化碳原子组成的二维碳纳米材料。由于其特殊的性质,在世界范围内引起了广泛的关注和研究。化学气相沉积法(CVD)是制备石墨烯最有效、最常用的方法。然而,传统的CVD石墨烯生长温度非常高(1 000℃),这不仅使得石墨烯制备成本高,而且限制了其在某些领域的应用。因此,低温下石墨烯的合成是目前研究者关注的焦点。前驱体类型(气态、液态、固态)和衬底类型(过渡金属、合金、介质衬底)是影响石墨烯合成温度的重要因素。本文将从以上几个方面对低温条件下CVD合成石墨烯的研究结果进行综述。
具有最佳CO2吸附容量和产率的炭分子筛制备
Ugur Morali, Hakan Demiral, Sevgi Sensoz
2020, 35(3): 209-219. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60485-1
摘要(202) PDF(217)
摘要:
采用田口设计方法,在活性炭上化学气相沉积甲烷制备出炭分子筛。在1 bar/273 K下测试炭分子筛对CO2吸附容量。制备高性能炭分子筛取决于最佳化学气相沉积条件。最佳合成条件不仅提供最大CO2吸附容量,而且提高产率。所制炭分子筛的最高产率为91 wt.%,最大CO2吸附容量为2.622 8 mmol g-1。通过氮吸附、CO2吸附、元素分析、官能团分析和孔结构分析对炭分子筛进行表征。这种田口设计方法有助于炭分子筛对CO2的可控吸附,有望成为炭分子筛制备条件的有用方法。
用于焦化废水脱除苯酚的亲水性多孔炭纳米球基表面分子印迹聚合物的制备
张瑶, 秦蕾, 崔燕, 刘伟峰, 刘旭光, 杨永珍
2020, 35(3): 220-231. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60486-3
摘要(154) PDF(107)
摘要:
以多孔炭纳米球(PCMSs)作为载体,采用双功能单体制备了一种亲水性表面分子印迹材料(AMPS-Am/MIP),提高在焦化废水中选择性吸附苯酚的能力。对AMPS-Am/MIP的表面形貌、结构、热稳定性和亲水性能进行了考察,并详细研究了其吸附动力学、吸附等温线、吸附选择性和吸附再生性等吸附性能。结果显示,制备的AMPS-Am/MIP在180 min达到吸附平衡,此时对苯酚的吸附量为47.59 mg g-1;相对选择因子可达1.67,在5次吸附-再生循环后吸附量仍保持在80%以上,表明AMPS-Am/MIP具有良好的吸附性能。当pH值在8左右(接近焦化废水pH值)时,吸附容量维持在46.84 mg g-1,表明AMPS-Am/MIP在焦化废水处理中的适用性和高效性。
氧官能团对活性炭超级电容器电容性能的影响
李夕冉, 姜杨慧, 王培智, 莫岩, 赖文德, 李正炯, 虞如基, 杜玉婷, 张馨壬, 陈永
2020, 35(3): 232-243. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60487-5
摘要(265) PDF(167)
摘要:
活性炭作为一种电极材料广泛应用于商业超级电容器中。炭材料表面的氧官能团是影响超级电容器电容性能的重要因素之一。通过(NH42S2O8温和的氧化过程在活性炭上引入氧官能团,并在不同温度下热处理样品来进一步除去氧官能团,同时又保留了活性炭原始的孔结构。结果表明,在水系电解液中,含氧官能团,特别是羧基和羰基,不仅加强了电解液在电极中的扩散,而且通过引入赝电容来提高电容。在300℃惰性气氛热处理后可以增加电极材料的电容和倍率性能。然而,不适量的氧官能团会堵塞活性炭的孔,导致其电化学性能差。在有机电解液中,含氧官能团会降低电极材料的电容,但在700℃惰性气氛热处理后可以有效提升材料的电容。研究结果揭示了氧官能团与电化学性能之间的关系,对于设计实际应用中的高性能超级电容器至关重要。
硝酸热处理对NiCo2S4/炭布复合电极材料电化学性能的影响
徐晓彤, 田晓冬, 李肖, 杨桃, 贺怡婷, 宋燕, 刘占军
2020, 35(3): 244-252.
摘要(194) PDF(148)
摘要:
先对炭纤维布(CC)进行不同时间的硝酸热处理,随后采用一步溶剂热方法在炭纤维布上沉积NiCo2S4纳米颗粒。结果表明,随着酸处理时间的延长,炭纤维表面粗糙度增加,含氧量增加。当酸处理时间为12 h时,NiCo2S4在其表面负载最均匀,复合材料的电化学性能最优,在电流密度为1 A g-1时,比容量可达1 298 F g-1,当增大到20 A g-1时,容量仍可保持为原来的89.7%。在5 A g-1电流密度下,循环次数达到3 000次时,容量保持率为95.3%。将所得复合材料作为正极,纳米炭纤维布(CNF)为负极,组装成具有自支撑结构的非对称超级电容器,在功率密度754 W kg-1时,其能量密度可达37.5 Wh kg-1
石油沥青基富氮/硫掺杂多孔炭材料的制备及其对电极性能
杨旺, 李瑞, 候利强, 邓碧健, 李永峰
2020, 35(3): 253-261.
摘要(202) PDF(99)
摘要:
以富含稠环芳烃的石油沥青为碳源,通过C3N4模板剂自分解策略,原位调控了石油沥青转变为炭材料过程中的孔结构及表面杂原子,定向制备得到了具有超大孔体积(4.49 cm3/g)的富氮/硫掺杂多孔炭材料。基于该材料表面丰富的硫氮杂原子及边缘拓扑缺陷结构,在还原I3-离子上展现出了优异的电催化性能。当应用于染料敏化太阳能电池对电极时,取得了7.91%的光电转化效率,可以媲美传统贵金属Pt材料,有望成为一种廉价高效的非Pt基对电极材料,同时也为石油沥青的高附加值利用提供了新的途径。
低温加热快速制备膨胀石墨
侯波, 孙红娟, 彭同江, 张曦月, 任亚周
2020, 35(3): 262-268. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60488-7
摘要(202) PDF(112)
摘要:
本文提出了一种简单、节能、高效的膨胀石墨制备方法。以鳞片石墨为原料,K2S2O8为膨胀剂,在80℃的条件下,加热数分钟即可快速制备出膨胀石墨。采用XRD、SEM、FTIR、Raman和四探针对样品的结构、形貌、官能团和导电性能进行了表征。结果表明,石墨由鳞片状转变为蠕虫状,最大膨胀容积为150 mL/g,且该方法对石墨结构的氧化程度低。由该膨胀石墨制备的柔性石墨的电导率为5.47×104S/m。该方法因其简单、成本低、对环境危害小等特点具有良好的应用前景。
亚微米级单分散的密胺树脂微球及其氮掺杂炭微球的制备
马灿良, 王再然, 胡振慧, 王艺华, 赵云, 师晶
2020, 35(3): 269-285. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60489-9
摘要(165) PDF(69)
摘要:
亚微米单分散三聚氰胺树脂微球和氮掺杂碳微球的可控制备仍是当今材料领域的一个重要课题。在不添加任何表面活性剂的情况下,仅使用适量的乙酸作为催化剂制备了最小粒径为200纳米的单分散MF微球,这比已报道的强酸制备的MF微球都要小。此外,随着搅拌时间的增加(0~48 h),MF微球的D50并不是简单地增加然后保持稳定,而是进一步下降,再次稳定,最后稳定后的粒径相比最大粒径发生明显收缩,收缩率约40%。在适当的热处理条件下,尤其是将物料均匀地薄薄地铺开,可以得到相应的单分散氮掺杂碳微球,其在800℃下的收缩率为81%~65%,收缩率与搅拌时间有关。最后,从分子形成的角度讨论了MF树脂微球和氮掺杂碳微球形成过程中的上述现象和规律。
废弃棉纤维、粘胶纤维和微晶纤维素水热炭化制备炭微球的对比研究
张永芳, 戴晋明, 郭红, 史晟, 阎智锋, 侯文生
2020, 35(3): 286-294. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60490-5
摘要(156) PDF(68)
摘要:
选择废弃棉纤维和粘胶纤维两种纺织纤维作为水热炭化原料,并以微晶纤维素为模型底物进行对比,研究原料结构对水热炭化条件及产物的影响。结果表明,高结晶度的棉纤维(60.35%)和微晶纤维素(60.24%)制备炭微球的最佳条件分别是330℃,6 h,0.15% CuSO4和310℃,6 h,0.10% CuSO4,而低结晶度(34.31%)的粘胶纤维的最佳条件为260℃,8 h。结晶度越低,水热炭化条件越温和,而聚合度对其影响不显著。采用SEM、XRD、FTIR、TG和EDS对炭化产物进行表征,结果表明,不同原料合成的炭微球具有类似的无定型结构和丰富的官能团,但棉纤维和微晶纤维素合成的炭微球具有更高的碳含量和热稳定性,这可能是更高的水热炭化温度所致。因此,纤维素结晶度是影响其水热炭化合成炭微球的重要因素。
PAN基炭纤维径向结构高温演变机制及其与力学性能的关系
阮如玉, 叶联葳, 冯海, 徐樑华, 王宇
2020, 35(3): 295-306. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60491-7
摘要(198) PDF(76)
摘要:
为了研究高温处理条件下炭纤维径向结构的演变规律及其对力学性能的影响,采用Raman光谱仪、元素分析仪、X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜和力学性能测试仪等表征方法,系统地对不同温度处理后的炭纤维进行结构解析。结果表明,由于纤维在高温处理过程中热解与重组同时发生,炭纤维径向结构的变化可分为两个阶段。第一阶段为处理温度低于1 700℃时的径向结构差异随处理温度升高而减小的阶段,此阶段热裂解对径向结构差异的影响起主导作用。第二阶段为处理温度高于1 700℃的径向结构差异随处理温度升高而增大的阶段,此阶段结构重组对径向结构差异的影响起主导作用。受径向结构差异的影响,炭纤维拉伸强度随处理温度的升高,呈现先增大后减小的趋势,经1 700℃处理后的炭纤维径向结构趋于均质,拉伸强度达到最大。依据炭纤维石墨化程度与炭微晶大小的关系,炭纤维皮层炭微晶为纤维径向上最规整、最完整的碳结构,因此炭纤维拉伸模量主要取决于皮层大尺寸且高取向的炭微晶。
sp-sp2杂化碳基材料的简易合成及表征
李旭, 贺艳兵, 李宝华, 康飞宇
2020, 35(3): 307-314.
摘要(133) PDF(84)
摘要:
在室温下通过简易的有机偶联聚合反应得到了具有sp-sp2杂化结构的多孔碳基聚合物,通过对聚合产物简单的热处理得到了有较高比表面积的多孔碳基材料。采用比表面积分析仪、扫描电镜、拉曼光谱仪等对聚合物热处理前后的孔分布、形貌、拉曼峰等进行了分析表征,发现低聚体混合物在聚合后成为具有墨水瓶型孔的多孔碳基聚合物材料且在热处理后仍保持墨水瓶型孔的结构。在采用模板法进行聚合时,在聚合产物的透射电镜照片和选区衍射图中发现了类似二维材料的形貌和衍射谱图,这为采用模板法合成全新的sp-sp2杂化的二维碳的同素异形体石墨炔提供了实验基础。
工业配煤焦炭中复杂微结构、组分及其化学状态分析
胡中杰, 曹银平, 吴胜利
2020, 35(3): 315-322.
摘要(158) PDF(97)
摘要:
用XRD、HRTEM、XPS以及SEM/EDS等手段对配合煤大生产焦炭进行表征和分析,研究了焦炭基质中碳质微晶结构、碳与氧等元素的结合形态,以及矿物质在焦炭基体中的存在形态,揭示了焦炭的本征结构。结果表明,焦炭中碳质结构是由结构规整的类石墨微晶和形状结构不规则的无定形炭构成,其中类石墨层片大小约为4 nm,堆叠厚度约为1.9 nm,且空间排列较为有序。碳与氧的结合形式主要是碳氧单键,其次是羧基和羰基,碳氧键合对焦炭中的类石墨微晶结构有一定的破坏,从而对焦炭的反应性(CRI)、反应后强度特性(CSR)产生影响。焦炭中的灰分主要有SiO2和"Al-Si-金属元素"两种矿物形式存在,且复合氧化物熔点较低,在焦炭基质中呈现球状形态。