富油煤热解重质焦油基泡沫炭性能研究

【目的】富油煤热解重质焦油制备石墨化泡沫材料是富油煤资源高值化利用的方式之一。【方法】为探究不同反应条件与泡沫炭性能的联系从而制备高性能泡沫炭材料,以重质焦油制备中间相沥青为前驱体,采用高温自发泡法制备泡沫炭。考察不同反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能的影响,最后进行Box-Behnken响应面设计实验建立二次多项回归方程,揭示泡沫炭孔隙率、导热系数与反应条件的关系。【结果和结论】结果表明:反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能有显著影响。泡沫炭孔隙率的最优值为72.8%,对应的条件为温度559℃、压力0.48 MPa、升温速率9℃/min,影响因素温度>压力>升温速率;泡沫炭导热系数最优值为0.219 W/(m·K),对应的条件为温度549℃、压力2 MPa、升温速率3.9℃/min,影响因素升温速率>压力>温度。经过响应面模型优化后的工艺参数可制备具有良好孔隙率及导热性的泡沫炭材料,为提升富油煤热解效率提供新方案。

KOH添加方式对煤基活性泡沫炭电化学性能的影响

以强黏性炼焦煤为原料,经常压自发泡法制得的煤基泡沫炭(NCF)为碳基底,KOH为活化剂,采用机械混合、水溶液浸渍、乙醇浸渍三种不同的方式制备煤基活性泡沫炭(HPCs),并将其用作双电层电容器的电极材料,研究了KOH添加方式对其微观结构和电化学性能的影响。结果表明,KOH分散度和附着性对煤基活性泡沫炭孔隙结构的生成、晶体结构、表面化学性质以及电化学性能有显著影响。煤基泡沫炭本身具有三维连通泡孔结构,有利于活化剂(KOH)深入材料的泡孔内部并为其提供大量附着位点,增大活化剂与碳基体的接触面积进而发生高效的活化。KOH水溶液的流动性较好,可以使K+更有效地穿插在NCF的泡孔结构中,在活化过程中作用于缺陷部位,在碳基体内部基质上产生更多的微孔以及介孔结构,有效地放大了活化效果。KOH水溶液浸渍泡沫炭材料制得的ACF-W样品拥有最高的比表面积(3098.35 m^(2)/g)、总孔体积(1.68 cm^(3)/g)、介孔体积比(59.13%),将其用作电极材料表现出优异的比电容(310 F/g)以及循环稳定性。

PET掺杂对新型木质素基泡沫炭合成的影响

泡沫炭具有低密度、高强度、高导电性、多孔骨架结构等诸多优点,是一种高端的整体性先进碳材料。在多种泡沫炭制备的原材料中,木质素因其可再生、低成本、高产量、高芳香性等特点而逐渐受到重视。基于木质素的热学性质复杂且特殊,近年来笔者开发了一种简单、高效的木质素基泡沫炭合成方法。为进一步实现泡沫炭结构与性能的调控,本研究主要通过使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)对木质素进行掺杂,考察PET可能对木质素转化过程中产生的影响,以及转化产物(新型泡沫炭)的材料结构与性能,从而提出PET掺杂对木质素基泡沫炭合成的影响。研究结果表明,PET的掺杂对于木质素的发泡过程有调节作用,其与木质素较好的相容性可以成功制备出木质素-PET基泡沫炭。PET的含量对泡沫炭的体密度、真密度、微观孔泡结构、机械强度等均有较为显著的影响。相比之下,X射线衍射和拉曼光谱结果表明PET掺杂对于泡沫炭的微观碳结构几乎没有影响。当PET掺杂量提升为20%时,泡沫炭的性能略有下降,可能与PET与木质素的均匀混合难度提升相关。本研究提出了通过掺杂高分子以改变新合成方法下泡沫炭结构与性能的思路,对泡沫炭的合成和调控具有指导意义。

镁改性泡沫炭对水中镉(Ⅱ)的吸附性能及去除机理

以酶解木质素液化产物树脂(LP树脂)为前驱体,借助微波加热和直接混合法,成功制得了镁改性泡沫炭(Mg/CF)吸附材料,通过红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱等对其结构性能进行了分析表征,并借助静态吸附实验对其水中Cd(Ⅱ)的脱除性能进行了考察。结果表明,负载于CF表面的镁以MgO纳米颗粒的形式集中分布于CF的泡孔孔壁上,MgO的负载并未减少CF的比表面积,但可使其微孔孔容增大。该吸附材料对水中Cd(Ⅱ)表现出优越的脱除性能,与单独使用MgO相比,Mg/CF对Cd(Ⅱ)的理论最大吸附容量可达308.51 mg·g^(-1),约为MgO的2.0倍,且平衡吸附时间为720 min,较MgO明显缩短。Mg/CF对Cd(Ⅱ)的去除过程满足准二级动力学方程、Langmuir吸附等温线模型,且去除过程为吸热熵增的自发过程。去除机理研究表明,Mg/CF对Cd(Ⅱ)的去除是以离子交换和沉淀等化学作用为主,并伴有物理吸附的过程。

石墨烯对环氧树脂泡沫炭石墨化、电导率和力学性能的影响

环氧树脂基泡沫炭是一种具有三维海绵状结构的新型炭材料,独特的网状泡孔结构使其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、导电/导热可调等性能,应用前景广阔。但是环氧树脂的石墨化困难,本工作以石墨烯为异质成核改性剂,用以提高环氧树脂泡沫炭的石墨化程度、电导率和力学性能。采用简单的发泡、炭化和石墨化工艺制备了石墨烯改性环氧树脂泡沫炭。石墨烯异质成核剂诱导了泡沫炭碳微晶生长,增加了碳晶格条纹长度,减少了碳晶体混乱。研究表明,不含或含质量分数0.05%石墨烯改性泡沫炭的晶面间距、晶粒堆垛高度、石墨化度分别为0.343nm、3.35nm、8.42%和0.342nm、10.22nm、23.2%。此外,石墨烯作为晶胞成核位点会影响泡沫炭的平均晶胞尺寸,随着石墨烯含量的增加,泡沫炭平均晶胞尺寸先减小后增大。同时,石墨烯改性增大了泡沫炭的有序结构,提高了其导电性,当石墨烯的质量分数为0.05%时,泡沫炭电导率为53.8 S·m^(–1)。相对于纯泡沫炭(压缩应变为0.0096%),质量分数0.01%、0.02%、0.05%和0.10%的石墨烯改性泡沫炭压缩应变增加至0.208%、0.228%、0.187%和0.1146%。本研究为碳纳米材料/泡沫炭制备、碳结构和性能调控提供了新的研究方法。

木质基N,P共掺杂氧化石墨烯改性泡沫炭制备及电容去离子性能研究

以落叶松木屑为原料,磷酸二氢铵(NH_(4)H_(2)PO_(4))为掺杂剂,氧化石墨烯(GOs)为改性剂,经过液化、树脂化、发泡、炭化以及CO_(2)活化制备出木质基N、P共掺杂氧化石墨烯改性泡沫炭(N,P-GCF)。采用SEM、XRD、Raman、XPS、接触角测量仪分别对N,P-GCF的表面形态、晶体结构、化学性质、亲水性能进行分析,通过改变NH_(4)H_(2)PO_(4)的添加量探究其对泡沫炭孔结构、电化学性能及电容去离子性能(CDI)的影响。结果表明:经GOs改性与NH_(4)H_(2)PO_(4)掺杂后,孔泡尺寸下降,无序性提高。N,P-GCF具有分级孔结构。当NH_(4)H_(2)PO_(4)掺杂量为2 g时,具有最高的比表面积(2684.11 m^(2)·g^(-1))、总孔容(1.42 cm^(3)·g^(-1))和介孔率(49.45%),N、P质量分数分别为2.48%和3.46%。N元素主要以N-5、N-6、N-X形式存在,P元素主要为P-C、P-N。相比于CF,N,P-GCF2.0具有优异的润湿性及力学性能。在1 mol·L^(-1)NaCl电解液的三电极体系中,1 A·g^(-1)的电流密度时N,P-GCF2.0的比电容为256.48 F·g^(-1),当电流密度增加至15 A·g^(-1)时,比电容保持率达72.51%。在500 mg·L^(-1)的初始NaCl溶液、1.2 V的工作电压下,N,P-GCF2.0具有最佳脱盐能力(29.97 mg·g^(-1))及盐吸附速率(1.84 mg·g^(-1)·min^(-1)),10次循环后脱盐能力保留率为90.12%,具有较好的循环稳定性。

泡沫炭基电磁屏蔽复合材料制备综合实验设计

该文聚焦电磁屏蔽材料和纳米材料的热点研究方向,设计了泡沫炭材料与银纳米颗粒(Ag NPs)复合材料的制备及电磁屏蔽性能分析综合实验。该实验通过直接炭化三聚氰胺泡沫及水热还原原位生长法制备了Ag NPs/泡沫炭复合材料。通过测量AgNPs/泡沫炭复合材料的电磁屏蔽参数,优化了电磁屏蔽效能。实验通过材料合成、物性表征、理论参数测试、性能应用等四个环节,拓宽了学生的知识面,锻炼了他们的实践动手能力和分析解决实际问题的能力。

生物质泡沫炭研究进展

泡沫炭是一种三维多孔泡沫状轻质炭材料,因其密度低、强度高、良好的导电导热性能及优异的化学稳定性等引起人们的广泛关注。生物质被用于制备泡沫材料最广泛的原材料,有着价格便宜、种类丰富、对环境污染小及易于得到且可再生等优点。介绍了以生物质为原料制备的各种生物质泡沫炭及其应用,并结合当前生物质泡沫炭的研究现状,对今后的方向作出展望。

多孔泡沫炭/聚吡咯负载金纳米线催化剂的制备及催化应用研究

三维多孔泡沫碳是一种重要的催化剂载体材料,如何开发新型的泡沫炭基复合催化剂材料具有重要意义。首先采用高温热解法将三聚氰胺泡沫制成泡沫碳;然后通过原位聚合法制备泡沫碳/聚吡咯复合载体;进一步采用氨基硅烷偶联剂修饰CF@PPy,并通过浸泡法在其表面修饰金种子,制备泡沫碳/聚吡咯负载金纳米粒子催化剂;最后,通过化学还原法制备出多孔泡沫碳/聚吡咯负载金纳米线催化剂。采用扫描电镜对复合催化剂的形貌进行表征。结果表明:聚吡咯均匀地生长在泡沫碳上,金纳米线均匀地负载在泡沫碳/聚吡咯上面。利用紫外-可见光谱分别研究该催化剂在水相和油水乳液中对4-硝基苯酚的催化还原效果。实验得出:CF@PPy@AuNWs比CF@PPy@AuNPs具有更优的催化还原效果,且循环使用5次后的催化效率仍大于90%。本方法制备过程简单,催化性能良好,具有重要的科学意义和较大的潜在应用价值。

煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展

泡沫炭具有比表面积大、孔隙率高、结构可控等特点,使其在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景,而以煤、煤液化残渣、煤液化沥青、煤焦油沥青等煤系物为原料制备得到的煤基泡沫炭具有较高的导电性且制备工艺简单、原料来源广泛及产品价格低廉,因而可将煤基泡沫炭作为电极材料应用于超级电容器。基于不同的前驱体材料制备方法也有所区别、制备而得的泡沫炭性能及其应用场景也有差异,需对煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展进行汇总分析。简介煤基泡沫炭的结构,剖析煤基泡沫炭制备方法中的分离焦化法、混合前驱法、高压渗氮法、限制膨胀法、超临界发泡法、自发泡法、模板法,阐述炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度对电化学性能的影响机制,为合理调控各影响因素之间关系及得到最佳电化学性能提供一定的参考。研究表明:较高的有效比表面积有利于煤基泡沫炭的比电容和能量密度,但其超高比表面积主要由微孔贡献,孔径较小的微孔会导致电解质离子和溶剂化离子无法进入孔内且在微孔孔口堆积,影响双电层的有效形成;理想炭电极材料具有三维分层多孔结构,相互连通的微—介—大孔有助于离子扩散和电子转移,发达的孔隙结构有助于提高倍率性能、功率密度和循环寿命;导电性取决于石墨化程度,炭化温度越高则石墨化程度越高、导电性越强,但过高的炭化温度会造成孔泡完整度下降,破坏泡沫炭三维分层孔结构,且使材料表面杂原子、官能团析出,降低材料润湿性及法拉第赝电容,造成比电容大幅下降;杂原子掺杂有助于提高材料润湿性与总比电容、贡献赝电容、调控结构和提升材料循环稳定性及电容保持率,但同时对石墨化程度、比表面积等也会产生不利影响。炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度4个因素相互影响与制约,找到合理的平衡点可有效调控其比电容、导电性、循环稳定性、倍率性能、能量密度、功率密度等,但在实际研究中难以兼顾炭电极材料比表面积、孔径分布等4个因素,因此需采用其他方法以实现煤基泡沫炭电化学性能的优化,未来需通过模板复制、物理化学活化、杂原子掺杂、二元/三元复合等手段以实现泡沫炭结构的设计和电化学性能的调控。

煤基泡沫炭复合F-TiO_(2)光催化降解苯酚

采用溶剂热法及随后的KF溶液浸泡制备了氟掺杂TiO_(2)(F-TiO_(2)),以煤疏中质组为原料制备多级孔泡沫炭(CCF),采用浸渍法将F-TiO_(2)负载于CCF上制得复合型光催化剂F-TiO_(2)/CCF。以苯酚溶液为目标降解物,研究了氟离子浓度、浸泡时间以及泡沫炭活化时间对催化剂催化性能的影响。分别采用XRD、XPS、SEM、N_(2)吸附、UV-Vis-DRS等对样品进行表征。结果表明,F-TiO_(2)/CCF的最佳制备条件为KF溶液浓度0.1 mol/L、浸泡时间24 h、泡沫炭水蒸气活化时间1 h。由此制得的复合催化剂在模拟太阳光下6 h对苯酚的光降解率达76%,总脱除率达89%,比F-TiO_(2)纳米颗粒的光催化活性提高了2.7倍。4次连续降解循环实验后对苯酚的脱除率仍维持在84%左右。掺杂氟原子的强电负性使F-TiO_(2)上的Ti化合价更正,更有利于与苯酚上的氧原子进行吸附配位。而泡沫炭载体不仅促进了光生载流子的高效分离,其大/中/微孔的共同作用保证了光的有效利用和苯酚的快速吸附扩散,使F-TiO_(2)/CCF光催化性能得到了显著的提高。

纳米ZrO_(2)改性泡沫炭复合材料的制备与性能

为改善传统泡沫炭的性能,以碳纳米管改性树脂为基体,纳米ZrO_(2)粒子为增强相,通过压塑成形-高温热处理制得纳米ZrO_(2)改性泡沫炭复合材料。采用扫描电子显微镜、万能试验机和网络分析仪研究纳米ZrO_(2)含量对泡沫炭复合材料的微观结构、力学性能以及电磁屏蔽效能的影响;通过热常数仪研究改性前后泡沫炭复合材料的热导率,分析其高温传热行为。结果表明:纳米ZrO_(2)粒子质量分数为5%时,泡沫炭复合材料隔热性能最好,800℃下热导率仅为0.213 W·m^(-1)·K^(-1),较改性前降低了38.6%;其压缩强度和比压缩强度达到最大值,分别为11.6 MPa和23.7 MPa·cm^(3)·g^(-1),较改性前分别提高了65.7%和51.5%。此时泡沫炭复合材料的电磁屏蔽效能在8.2~12.4 GHz下的均值为57 dB,较纯泡沫炭提升了74%。

三维多孔泡沫炭电极电催化氧化高氨氮废水的试验研究

采用熔化-起泡-沉降-碳化的方法制备了三维多孔泡沫炭,该材料开孔率高、水体透过性好、导电性优越,相比相同反应条件下的二维传统Ti/IrO_(2)-RuO_(2)电极,该材料对氨氮的去除率更高,能耗更低;以三维多孔泡沫炭为阳极电催化氧化去除高氨氮制碱废水,考察了电流密度、强制搅拌和极板间距对氨氮去除率的影响,结果表明提高电流密度、强制搅拌和减少极板间距均有利于提升电催化氧化氨氮的去除率。综合考虑废水处理效果和能耗确定适宜条件为:极板间距为1 cm,强制搅拌,电流密度为20 mA/cm^(2),电解时间为6 h,此时氨氮的去除率为96%,能耗为31.25 kW·h/m^(3),三维多孔泡沫炭电极能有效实现电催化氧化高氨氮制碱废水的氨氮去除。

ZnO/泡沫炭复合材料的制备及其电磁屏蔽性能

为进一步提高泡沫炭材料的电磁屏蔽性能,本文以泡沫炭为基体,以ZnO纳米颗粒为增强体,构建了ZnO/泡沫炭复合材料,研究了ZnO纳米颗粒的引入对泡沫炭电磁屏蔽性能的影响。实验结果表明,ZnO/泡沫炭复合材料在X波段内的总电磁屏蔽效能可达24 dB,明显优于泡沫炭材料。这主要归因于引入的ZnO纳米颗粒增强了泡沫炭材料的介电损耗。此外,研究了复合材料的衰减常数和趋肤深度,发现与泡沫炭材料相比,复合材料的衰减常数得到显著提升,趋肤深度明显降低。

发泡温度对常压自发泡煤基泡沫炭结构和机械强度的影响

煤的材料化是实现其低碳高值化利用的重要途径之一,煤基泡沫炭因其独特的物化性能具有良好的应用前景。以强黏结性焦煤为原料,采用常压自发泡法,在塑性区间内不同发泡温度条件下制得以开孔结构为主的无定型煤基泡沫炭;利用SEM、XRD、全自动压汞仪和真密度分析仪等手段表征了泡沫炭的微观形貌、泡孔结构和微晶结构,并采用电子压力试验机测定了泡沫炭的机械强度,分析了发泡温度对泡沫炭结构和性能的影响。结果表明,发泡温度不同引起原料煤热分解以及胶质体流动性行为变化,导致制备过程中煤样的发泡程度不同,进而对泡沫炭生料(NCF)的泡孔结构及碳骨架结构产生影响,使得在最大流动度对应的温度(480℃)作为发泡温度时所得NCF-480开孔率最高(70.89%)、体积密度最小(0.460 g/cm^(3)),但其碳骨架结构相对致密导致其机械强度提高,抗压强度和抗折强度分别达到1.63 MPa和1.11 MPa。经高温炭化,炭化泡沫炭(CCF)的孔径减小,开孔率和体积密度增大,同时缩聚反应使碳骨架更加致密,导致其机械强度明显提高。其中,CCF-490的平均孔径、开孔率以及体积密度均处于中间值且孔径差异较小,其机械性能表现最为优异,抗压强度和抗折强度分别达到8.52 MPa和5.14 MPa。合成的具有良好结构性能的煤基泡沫炭材料表现出优异的应用前景,同时也为煤炭的材料化高附加值利用提供了新思路。

泡沫炭的研究进展

介绍了泡沫炭的基本性质及制备方法:泡沫炭是一种性能优异、用途广泛的新型炭材料;不同的制备原料和方法所得泡沫炭的结构和性能也有所不同。通常用于制备泡沫炭的原料包括有机聚合物、中间相沥青以及煤和煤系物。重点阐述了以煤和煤系物作为前体制备泡沫炭的相关工作,综述了泡沫炭的结构、性能及近年来国内外的研究进展,并对其潜在的应用和发展趋势做了初步总结。

由中间相沥青制备泡沫炭:Fe(NO_3)_3的影响

以中间相沥青为前驱体制备高性能泡沫炭,在考察中间相沥青、Fe(NO3)3及其混合物热分解行为的基础上,着重研究了Fe(NO3)3对制备中间相沥青基泡沫炭的影响,揭示了Fe(NO3)3对泡沫炭孔泡结构的影响规律及其作用机制,初步研究了在泡沫炭炭化过程中形成的Fe/C之物相结构及其石墨化行为。结果表明,在不同的炭化温度下,Fe在泡沫炭中的存在形态各异;Fe物种的存在有利于提高泡沫炭的石墨化程度。

泡沫炭概述

简要地叙述了近年来有关泡沫炭的制法、性能及应用，并列举不同添加剂对泡沫炭性能的影响及美国和前苏联泡沫炭的性能。表明泡沫炭是很好的绝热材料，又可能制成具有良好导电性能的材料。

预氧化对中间相沥青泡沫炭结构和性能的影响机制研究

研究了预氧化对萘系中间相沥青的表面化学性质、族组成分布以及对泡沫炭的发泡条件、泡孔形成、孔结构及微结构的影响机制.当中间相沥青经210℃预氧化2h后,其喹啉不溶物含量增加32.3%,族组成分布变窄.在600℃/3MPa发泡条件下,所制石墨化泡沫炭的平均孔径、压缩强度分别为200μm、2.8MPa.

高强度酚醛树脂泡沫炭的制备研究

以自制甲阶酚醛树脂为原料,通过发泡法制备泡沫炭,考察了发泡和炭化条件对泡沫炭的微观结构、物相组成、机械强度的影响。结果表明:酚醛树脂泡沫在200~650℃之间应采用较慢的升温速率(1℃/min)进行炭化;由XRD分析发现,900℃炭化温度下所得泡沫炭主要以无定形炭形式存在,同时还存在NaCl晶体;SEM分析可知,表面活性剂吐温-80用量主要影响泡沫炭中泡孔的分布均匀性,发泡剂正己烷用量对泡沫炭的泡孔数量及孔径影响较大,而固化剂盐酸用量则对泡孔的孔径影响较大。泡沫炭制备的较佳工艺为:固化剂用量、表面活性剂和发泡剂用量分别为甲阶树脂质量的3%、6%和6%,此条件下所得泡沫炭的泡孔孔径为50~150μm,孔泡结构规整、孔壁较薄,其表观密度为0.276 g/cm^3,比表面积为137.9 m^2/g,抗压强度为11.1 MPa。