新型炭材料

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2020, 35(6): .

摘要(88)

PDF(281)

摘要:

石墨炔及其合成设计

李旭, 李宝华, 贺艳兵, 康飞宇

2020, 35(6): 619-629. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60518-2

摘要(1492)

PDF(516)

摘要:
石墨炔是一种同时含有sp和sp²杂化碳的二维全炭材料，是目前为止继石墨烯之后受到关注最多的碳的同素异形体。由于其独特的电子结构，石墨炔具有很多潜在的应用和独特的性能。本文概述了石墨炔的概念及性质，综述了石墨炔的各种独特的性能及其潜在的应用，提出了合成设计的一些方案与思路，并对石墨炔研究的前景进行了展望。

空心炭球在室温钠硫电池中的研究进展

杨佳迎, 韩浩杰, Hlib Repich, 智日成, 曲昌镇, 孔龙, Stefan Kaskel, 王洪强, 徐飞, 李贺军

2020, 35(6): 630-645. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60519-4

摘要(2915)

PDF(400)

摘要:
室温钠硫（RT-Na/S）电池具有理论比容量高（1 675 mAh/g）、能量密度大（1 276 Wh/kg）以及钠、硫储量丰富且成本低等优势，在智能电网等大规模储能领域具有广阔的应用前景。然而，RT-Na/S电池仍然面临着诸多问题如硫导电性差、放电过程中体积膨胀以及中间态多硫化钠溶解穿梭等，严重地阻碍了电池性能的发挥和实际应用。近年来，空心炭球由于其独特的物理化学性质，在一定程度上能有效地解决硫正极中特别是多硫化钠的溶解穿梭等问题，有效提高了电池的性能。本文介绍了近年来空心炭球基材料的构筑及其在RT-Na/S电池中的应用，重点讨论了孔结构调控、掺杂基团与功能组分修饰对缓解"穿梭效应"及提高电池性能的影响，并对未来的发展进行了展望。

煤基荧光碳点的制备与应用研究进展

蔡婷婷, 刘斌, 庞尔楠, 任卫杰, 李世嘉, 胡胜亮

2020, 35(6): 646-666. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60520-0

摘要(1209)

PDF(351)

摘要:
煤炭的深加工与功能化是解决目前煤炭应用瓶颈的重要措施。近年来，新兴碳质纳米材料家族中的荧光碳点因其良好的生物相容性、元素无毒及可调节的荧光发射、优异的能量存储与转移等多种独特性能，在生物成像、化学传感、太阳能转化等众多领域表现出了巨大的应用前景。煤和煤的衍生物中含有大量的石墨结构微晶与稠环芳环团簇，由密集分布的碳氧键连接在一起，可以通过化学、电化学或物理方法将其打开，剥离出荧光碳点，所以分布范围广、储量大、价格低廉的煤炭是制备碳点的理想源材料。本文就煤基碳点的制备方法及其优缺点进行了总结，分析了煤及其衍生物种类与制备条件等对荧光碳点产物性能的影响。概述了煤基碳点及其复合体特性，以及它们在化学检测、生物成像、光催化等方面的应用，重点总结了煤基碳点对构筑异质结构性能的影响。最后，针对煤基碳点的发展前景进行了展望。通过该综述期望能为煤基碳点的制备与应用提供关键信息，从而为煤炭综合利用提供一种经济且可持续的选择。

炭材料在过硫酸盐高级氧化技术中的应用进展

肖鹏飞, 安璐, 吴德东

2020, 35(6): 667-683. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60521-2

摘要(1820)

PDF(291)

摘要:
炭材料凭借其拥有独特的纳米结构、优异的导电性、化学稳定性及吸附特性等在催化领域中显示出广阔的应用前景，有望成为新一代绿色非金属催化剂。近年来，国内外在各类炭材料应用于活化过硫酸盐高级氧化技术中的研究发展极其迅速。不同的炭材料具有不同的结构特征和表面性质，其对过硫酸盐的活化机理和对污染物的转化机理也有所不同。到目前为止，各种方法已经被开发并应用于活化过硫酸盐，提高了研究者对各类新型炭材料催化机理的认识。本文对石墨烯、碳纳米管、炭纤维、多孔炭、炭凝胶、炭微球、炭纳米泡、碳量子点等各种新型炭材料作为非均相催化剂或催化剂载体在活化过硫酸盐高级氧化工艺中的理论和应用研究现状进行了总结，并围绕炭材料催化剂的制备方法及结构特性、炭材料催化剂在活化效率中的构效关系、自由基及非自由基产生途径以及在降解环境污染物中的应用效果等方面展开阐述。最后指出了目前炭材料在实际应用中面临稳定性差、环境风险和生产成本高等方面的挑战以及解决方法。

高性能电容器用富勒烯/石墨烯三维全碳杂化材料

程蕾, 李幸娟, 李静, 邱汉迅, 薛裕华, Kuznetsova-Iren Evgenyevna, Vladimir Kolesov, 陈成猛, 杨俊和

2020, 35(6): 684-695. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60522-4

摘要(780)

PDF(144)

摘要:
通过简单的水热过程将C₆₀分子引入石墨烯片层，可控制备了具有三维多孔结构的全碳C₆₀/石墨烯杂化材料，该材料作电极材料时电容性能得到明显提高。研究表明，C₆₀分子和石墨烯骨架中的碳六元环之间的共轭相互作用有利于C₆₀与石墨烯在高压水热条件下自组装形成三维多孔结构。C₆₀分子的加入使杂化产物具有优化的多孔结构和更多的氧化还原活性位点，这赋予杂化产物优异的电化学性能。以浓度为6 mol/L KOH溶液作为电解质，当电流密度为1 A/g时，其比电容为332.3 F/g，与三维多孔结构石墨烯材料电极相比提高了54.5%。此外，作为完全由碳原子组成的复合电极材料，其表现出的电化学性能优于文献报道的类似碳基材料。这一研究表明全碳杂化电极材料在用于制造高性能超级电容器方面具有很强竞争力和广阔应用前景，为未来基于全碳电极的高性能储能器件的设计和制备提供了有价值参考。

以磁性碳纳米球为载体的锂离子印迹吸附剂用于锂离子的选择性回收

梁琦, 张二辉, 闫光, 杨永珍, 刘伟峰, 刘旭光

2020, 35(6): 696-706. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60533-9

摘要(590)

PDF(132)

摘要:
以磁性碳纳米球（Fe₃O₄@C）为载体，2-羟甲基-12-冠醚-4为吸附单元，采用表面离子印迹技术设计并制备了对Li⁺具有选择性吸附的磁性碳基锂离子印迹材料（Li⁺-IIP-Fe₃O₄@C）。首先，采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对Fe₃O₄@C进行改性，得到硅烷化Si-Fe₃O₄@C。接着用甲基丙烯酸（MAA）对Si-Fe₃O₄@C进行功能化，得到形貌规整且具有较高MAA接枝度的PMAA-Fe₃O₄@C。然后，借助催化剂对甲苯磺酸将2-羟甲基-12-冠醚-4接枝到PMAA-Fe₃O₄@C的表面，进一步在二甲基丙烯酸乙二醇酯的交联聚合下得到Li⁺-IIP-Fe₃O₄@C。动力学吸附和等温吸附结果表明，Li⁺的吸附符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型。Li⁺-IIP-Fe₃O₄@C在25℃下对Li⁺的最大吸附容量达到22.26 mg g^-1。Li⁺相对于Na⁺，K⁺和Mg²⁺的选择因子分别为8.06、5.72和2.75。经6次吸附-解吸循环，Li⁺-IIP-Fe₃O₄@C的吸附容量仅降低了8.8％，表现出优异的再生性能。

超轻质磁性石墨烯/炭气凝胶的制备及电磁干扰性能

张恩爽, 雷朝帅, 李健, 刘圆圆, 高宇智, 吕通, 李文静, 张昊

2020, 35(6): 707-715. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60524-8

摘要(577)

PDF(106)

摘要:
通过溶胶-凝胶、超临界干燥及高温裂解过程制备了Fe₃O₄磁性纳米粒子掺杂的石墨烯/炭气凝胶，该气凝胶具有多组分、超轻质及高导电等特性。研究了不同Fe₃O₄磁性纳米粒子掺杂量对材料微观结构、组分及电磁干扰性能的影响规律，获得密度仅为0.015 g cm^-5，比表面积为511 m² g^-1的分等级微纳米结构的超混杂气凝胶材料。该材料可以实现对3种波段的有效遮蔽，对可见光在布撒初期和30 min后遮蔽率分别是99.90%和98.77%，对于3~5 μm红外及8~12 μm红外布撒初期的遮蔽率分别是99.55%和99.35%，布撒30 min后遮蔽率分别是99.05%和96.79%，对毫米波的干扰性能在布撒初期和30 min后遮蔽率分别是83.68%和82.54%。该材料优异的多波段电磁干扰性能为高性能烟幕干扰材料提供了新的设计思路。

金属催化轴向解链法制备窄石墨烯纳米带

王锴, 周庆萍, 陈志刚, 陈由馨, 贺志岩, 江圣昊, 陈杰, 陈长鑫

2020, 35(6): 716-721. doi: 10.19869/j.ncm.1007-8827.20200012

摘要(551)

PDF(113)

摘要:
窄石墨烯纳米带（GNR）因具有较大带隙使其在电子和光电器件中有广阔的应用前景。然而目前仍缺乏良好的方法来制备高质量、窄GNR。本文研发了一种过渡金属轴向解链单壁碳纳米管（SWCNT）制备窄的高质量GNR和GNR/SWCNT分子内异质结的方法。通过研究，获得了该方法解链SWCNT的最佳工艺，通过控制H₂流量能调节SWCNT的解链速率。窄GNR和GNR/SWCNT分子内异质结有望被用于下一代电子和光电器件。

不同氧化程度的沥青纤维预氧化与炭化行为

彭元硕, 杨建校, 石奎, 郭建光, 朱辉, 李轩科

2020, 35(6): 722-730. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60515-7

摘要(876)

PDF(154)

摘要:
以各向同性沥青纤维（IPPF）和中间相沥青纤维（MPPF）为对象，系统研究了它们在不同升温速率和不同预氧化温度下的预氧化过程。通过元素分析，FT-IR，TG-MS和SEM等手段对预氧化纤维（SFs）和炭纤维（CFs）进行了详细的分析表征，探究了沥青纤维的氧化程度对CFs的结构和力学性能的影响规律。结果表明，慢的升温速率有利于沥青纤维的氧化交联，所得到的CFs具有更高的炭化收率和拉伸强度。同时，IPPF和MPPF在270℃进行预氧化时，所制备对应的CFs具有最高的结构性能。另外，SFs的FT-IR图所计算的R₁₇₀₀/R₁₆₀₀值与其对应CFs的炭化收率和拉伸强度存在着良好的映射关系，可以作为一个评估沥青纤维的氧化程度的有效因子。除此之外，氧化不充足的纤维（I-SFs）在炭化过程中释放大量的H₂和CH₄，造成所得到的CFs出现空心结构，显示低的拉伸强度，尤其I-IPCF较为明显；过度氧化的纤维（E-SFs）则释放大量的CO和CO₂，导致其对应的CFs呈现裂缝结构，特别是E-MPCF。因此，纤维预氧化和炭化行为的深入解析与优化对于提升沥青基炭纤维的性能具有重大的意义。

分级孔rGO/NiO的异质自组装制备及其电化学性能

袁淑霞, 杨明珲, 吕春祥, 王晓敏

2020, 35(6): 731-738. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60525-X

摘要(508)

PDF(123)

摘要:
采用异质自组装法制备得到氧化石墨烯/Ni（HCO₃）₂（GO/Ni（HCO₃）₂），经热还原分解后得到石墨烯/NiO（rGO/NiO）。通过XRD、SEM和N₂吸脱附测试等手段详细研究了GO/Ni（HCO₃）₂向rGO/NiO转变过程中的结构变化，结果表明，rGO/NiO的比表面积和孔容分别为121.3 m² g^-1和0.26 cm³ g^-1，呈分级孔分布，孔径主要分布为2~100 nm。大的比表面积和分级孔的分布使得rGO/NiO呈现出优异的电化学性能。在0.5 A g^-1的电流密度下比电容是919 F g^-1。当电流密度从0.5 A g^-1提高至5 A g^-1时，比电容保持率为71%。长周期循环稳定性结果显示，在2 A g^-1的电流密度下循环3 000次后比电容保持率为91%。

氧化石墨烯/聚合物基复合膜对水,氨水与二氯甲烷的渗透性

Ali Asghar Zomorodkia, Saeed Bazgir, Davood Zaarei, Mohsen Gorji, Mehdi Ardjmand

2020, 35(6): 739-751. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60514-5

摘要(430)

PDF(92)

摘要:
以氧化石墨烯（GO）、聚氨酯（PU）和亲水性聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸（PAMPS）为原料，制备出无支撑的PU基复合膜和PAMPS基复合膜。研究氧化石墨烯聚合物基膜用于含极性材料废液如水、氨水、以及含非极性二氯甲烷和氨-二氯甲烷混合废液的渗透行为。采用不同表征方法如X射线衍射仪（XRD）、接触角、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、红外光谱仪（FT-IR）和力学性能测试仪来评价所制复合膜的综合性能。采用ASTM E96/96-M14设备进行复合膜的渗透测试。结果表明，PAMPS基复合膜因较高的亲水性，具有最佳的水和氨渗透性能，而PU基复合膜具有最佳的二氯甲烷渗透性，最差的水和氨的渗透性。

纤维与基体性能对炭纤维增强树脂基复合材料抗压强度的影响

李爱军, 张军军, 张方舟, 李龙, 朱世鹏, 杨云华

2020, 35(6): 752-761. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60526-1

摘要(609)

PDF(114)

摘要:
炭纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的轴向压缩强度显著低于其拉伸强度，这阻碍了其更广泛的应用。CFRP的轴向压缩破坏机理复杂，而目前针对CFRP轴向压缩破坏的研究却较为有限。为了对CFRP轴向压缩破坏机制有更加深入且直观的理解，本文构建了一个二维的微观有限元模型。该模型能够完整揭示CFRP轴向压缩破坏过程，并预测纤维和基体各项性能对CFRP抗压强度的影响规律。结果证明，由纤维初始制造缺陷引起的剪切应力集中使得基体开始发生塑性屈服，并最终形成扭折带，材料结构失效。剪切应力在整个失效过程中扮演着重要角色。此外，本文系统研究了纤维和基体各项性能对CFRP的抗压强度的影响，这些性能包括纤维轴向弹性模量E_f1、纤维径向弹性模量E_f2、纤维剪切模量G_f12、基体弹性模量E_m、基体比例极限σ_p、基体屈服强度σ_s和纤维初始制造缺陷程度。研究发现，性能的变化直接影响着缺陷区域剪切应力的集中状态，从而影响CFRP的抗压强度。研究结果显示，当E_f1、E_f2、G_f12、E_m、σ_p、σ_s提升10%，纤维初始缺陷程度降低10%时，CFRP的抗压强度分别提升了2.33%、0、0.39%、3.38%、1.17%、2.30%、2.52%左右。研究了CFRP抗压强度对各参数的敏感性，结果发现，E_m对CFRP的抗压强度影响最大，纤维的初始制造缺陷程度和基体的塑性性能也是不可忽略的因素。

石墨烯/聚酰亚胺炭膜的制备及其气体分离性能

侯旻辰, 李琳, 鲁云华, 冉旭, 宋成文, 王春雷, 梁长海, 王同华

2020, 35(6): 762-768. doi: 10.19869/j.ncm.1007-8827.20180067

摘要(709)

PDF(107)

摘要:
以9，9-双（4-氨基苯基芴）（FDA）、9，9-双（3-氨基-4-羟基苯基）芴（BisAHPF）、六氟二酐（6FDA）为单体，二维片层氧化石墨烯（GO）纳米炭晶为孔尺度调节剂，采用原位合成法制备GO/聚酰亚胺聚合物，经制膜及高温炭化制备了石墨烯/聚酰亚胺气体分离炭膜。借助于FTIR、XPS、XRD、TGA、氮吸附及气体渗透等表征手段对GO及炭膜的结构与性能进行表征；探讨了GO添加量对石墨烯/聚酰亚胺炭膜的结构与性能的影响。结果表明，原位引入片状GO纳米炭晶，在改善了聚合物膜热稳定性的同时，显著提高了石墨烯/聚酰亚胺炭膜的总孔体积，特别是尺度小于0.6 nm的极微孔孔体积与数量；使石墨烯/聚酰亚胺炭膜在保持高气体渗透性条件下，明显地提高气体分离选择性；增加GO添加量，可进一步提升石墨烯/聚酰亚胺炭膜的气体分离选择性。当GO添加量为0.5 wt.%时，石墨烯/聚酰亚胺炭膜的CO₂渗透系数为8 760 Barrer，比纯炭膜仅降低了6%；CO₂/N₂、CO₂/CH₄分离选择性分别为52、53，分别提高32%、39%。

功能化氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备与性能

邢瑞光, 庄晓旭, 王博, 李亚男, 张邦文

2020, 35(6): 769-775. doi: 10.19869/j.ncm.1007-8827.20180129

摘要(522)

PDF(101)

摘要:
以五氟苯胺作为改性剂对氧化石墨烯进行功能化，制得氟原子功能化石墨烯。将氟原子功能化石墨烯、4，4-二胺基二苯醚和均苯四甲酸二酐溶解在N，N-二甲基乙酰胺中，用原位聚合合成一系列氟原子功能化氧化石墨烯/聚酰亚胺的复合材料，并对复合材料的介电性能和力学性能进行研究。结果表明，氟原子功能化石墨烯添加量为2 wt%时，低频率下复合材料的介电常数由3.61降低到2.80，当加入量为2 wt%时，拉伸强度由11.75 MPa增加到14.2 MPa。

国产T800H炭纤维与M40J石墨纤维层内混杂复合材料性能对比

彭公秋, 李珂, 钟翔屿, 李国丽, 李伟东, 包建文, 王进

2020, 35(6): 776-784. doi: 10.19869/j.ncm.1007-8827.20190172

摘要(910)

PDF(128)

摘要:
采用扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱仪（Raman）、X射线光电子能谱仪（XPS）和X射线衍射仪（XRD）测试了国产T800H炭纤维和M40J石墨纤维的表面物理化学结构和结晶结构，对比分析了1∶1混杂比例的层内混杂复合材料与两种单一纤维增强复合材料性能，并观察了复合材料90°拉伸破坏试样断面形貌，研究了混杂复合材料混杂效应。结果表明：混杂复合材料0°拉伸模量遵循混合定律，0°拉伸强度和层间剪切强度表现为混杂负效应，90°拉伸强度和冲击后压缩强度表现为混杂正效应。相比于AC531/T800H复合材料，层内混杂复合材料0°拉伸模量提高了13%，相比于AC531/M40J复合材料，层内混杂复合材料冲击后压缩提高了35%，兼具高模量和优异的复合材料抗冲击性能。

国产T800炭纤维/环氧树脂单向复合材料动态压缩性能

潘月秀, 鲍佳伟, 王凡文, 张凌东, 王杨卫, 程兴旺, 杨云华

2020, 35(6): 785-792. doi: 10.19869/j.ncm.1007-8827.20200128

摘要(983)

PDF(136)

摘要:
采用霍普金森压杆（SHPB）装置，对不同直径和表面状态的国产T800（TG800）炭纤维/603B环氧树脂单向复合材料的动态压缩性能进行测试，通过SEM对试样断口微观形貌进行分析，结合仿真分析探讨炭纤维本征物理性能和表面特性对复合材料动态压缩性能及失效形式的影响。结果表明，TG800/603B单向复合材料在动态压缩测试中呈现脆性断裂特征，且具有明显的应变率强化效应、界面强化效应和直径效应。强界面情况下，炭纤维直径从5 μm增加到6 μm，复合材料动态压缩强度增加约18%（128 MPa），失效形式从纤维断裂和炭纤维与基体脱黏变为树脂塑性变形和纤维与基体脱黏；炭纤维直径为5.4 μm时，弱界面炭纤维复合材料动态压缩强度较强界面材料降低约6%，失效形式由炭纤维断裂、树脂塑性变形和炭纤维与基体脱黏变为炭纤维与基体脱黏。

聚丙烯腈基炭纤维对比分析:(一)微观结构

李登华, 吕春祥, 郝俊杰, 王惠民

2020, 35(6): 793-801. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60527-3

摘要(678)

PDF(349)

摘要:
利用X射线广角衍射/小角散射、Raman光谱及高分辨透射显微镜对不同型号聚丙烯腈基炭纤维的晶态结构、孔结构、径向结构不均匀性、石墨化度、内部残余应力、结构取向性及分形现象进行了对比分析。结果表明，MJ炭纤维的微晶结构比T系列提升明显，内部残余应力逐步释放，结构取向性显著提升，石墨化程度也显著增强；但其微孔尺寸有所增大，径向结构不均匀性增加，体现了石墨化过程对炭纤维微观结构的显著影响。

聚丙烯腈基炭纤维对比分析:(二)结构与性能的关联性

郝俊杰, 吕春祥, 李登华

2020, 35(6): 802-810. doi: 10.1016/S1872-5805(20)60528-5

摘要(611)

PDF(139)

摘要:
以典型聚丙烯腈基炭纤维为研究对象，结合弹性解皱模型、Griffith微裂纹理论等探讨了炭纤维的力学性能与微观结构的关联性。分别分析了微晶结构及其择优取向对拉伸模量、孔结构及质量密度起伏对拉伸强度、内部残余压缩应力对断裂伸长率的影响关系，确认了上述对炭纤维力学性能起关键影响作用的结构因素，并据此探讨了炭纤维的拉伸断裂机制。

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