Immobilization of NiS nanoparticles on N-doped carbon fiber aerogels as advanced electrode materials for supercapacitors

NiS nanoparticles (NPs) with excellent electrochemical capacitance have attracted considerable attention as cost-effective energy-storage materials for supercapacitors in recent years. Preventing the aggregation and increasing the conductivity of NiS NPs are key to fully realizing their excellent electrochemical properties. In this work, NiS/N-doped carbon fiber aerogel (N-CFA) nanocomposites were obtained easily through the combination of polymerization, carbonization, and a one-step solvothermal reaction. N-CFA derived from polydopamine (PDA)-coated cotton wool was used as a template for the construction of hierarchical NiS/N-CFA nanocomposites, in which NiS NPs are uniformly immobilized on the surface of N-CFA. In this nanostructured system, N-CFA containing abundant nanofibers not only provides active regions for the growth of NiS NPs to prevent their aggregation, but also offers short pathways for the transport of electrons and ions. The electrochemical properties of the obtained NiS/N-CFA nanocomposites were investigated by cyclic voltammetry, galvanostatic charge–discharge, and alternating current impedance measurements. The optimized NiS/N-CFA nanocomposite exhibits a high specific capacitance of 1,612.5 F·g1at a charge/discharge current density of 1 A·g1and excellent rate capacitance retention of 66.7% at 20 A·g1. The excellent electrochemical properties of NiS/N-CFA nanocomposites make these materials promising electrode materials for supercapacitors. [Figure not available: see fulltext.] © 2016, Tsinghua University Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

复合型透明隔热涂层制备及性能研究

以聚偏氟乙烯(PVDF)为基底,添加氧化锡锑(ATO)、气凝胶和碳纤维制备双层复合型透明隔热涂层。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外可见光近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)和隔热测试装置等对复合涂层的形貌、微观结构和隔热机理进行研究,并测试其隔热性能和光学特性,包括吸收率、反射率、热导率和模拟光照测试。通过调整ATO、气凝胶和碳纤维各组分配比,探究其对复合涂层光学特性和隔热性能的影响规律,同时与传统单层隔热涂层进行比较。结果表明,所制得的涂层薄膜厚度约为30μm;在380~780 nm可见光的透过率在60%~70%;在模拟光照实验中,经过20 min模拟光照,该涂层最高可以降温9.6℃,较传统单层隔热涂层降温5.3℃。

碳纳米管质量分数对纳米芳纶复合气凝胶纤维电磁屏蔽性能的影响

为了研究碳纳米管(CNTs)的质量分数对纳米芳纶(ANF)复合气凝胶纤维的电磁屏蔽性能的影响。将CNTs与ANF分散在通过二甲基亚砜(DMSO)中,改变CNTs与ANF的比例。对复合气凝胶纤维的力学性能、导电性能、微观形貌、 X射线光电子能谱、红外光谱、热失重等性能进行测试,确定实验范围内的CNTs的最佳参数。结果表明:当CNTs在分散液中的质量分数达到25%时,复合气凝胶纤维的电磁屏蔽效能达到-18 dB。CNTs/ANF复合气凝胶纤维可以屏蔽80%的电磁波,满足工业要求。

碳纤维建筑节能保温材料的制备及性能研究

通过调整甲基三甲氧基硅烷(MTMS)和去离子水的摩尔比,基于先驱体转换法制备了Si—O—C气凝胶,将气凝胶浸渍碳纤维预制体干燥处理后获得了碳纤维基复合材料。通过XRD、SEM、FT-IR、力学性能和导热性能分析,研究了甲基三甲氧基硅烷和去离子水摩尔比对气凝胶性能的影响,并分析了高温裂解处理对碳纤维基复合材料性能的影响。结果表明,先驱体转换法制备出的复合材料Si—O—C气凝胶和碳纤维的粘合度较高,随着n(MTMS)∶n(去离子水)比例的增大,气凝胶的完整度提高,裂纹数量减少;且复合材料的抗压强度表现出先增大后降低的趋势。当n(MTMS)∶n(去离子水)=1∶50时,复合材料的抗压强度达到最大,为1.595 MPa,其弹性变形阶段的最大应力也达到最大,为0.95 MPa,且具有最低的导热系数为0.0198 W/(m·K)。1000℃的高温裂解促进了碳纤维基复合材料中Si—O键向Si—C键的转化,使得Si-C键增多,但高温裂解使气凝胶骨架和表面出现了裂痕,当n(MTMS)∶n(去离子水)=1∶50时,复合材料的抗变形能力最佳。

多孔螺旋碳纤维气凝胶吸附亚甲基蓝性能研究

以废弃茶叶中的螺旋导管为原料,成功制备出一种多孔螺旋碳纤维气凝胶(PSCFAs)吸附剂,考察了KOH浓度、活化温度和活化时间等对PSCFAs孔结构和吸附亚甲基蓝(MB)性能的影响,并探究了PSCFAs对水中污染物MB的吸附动力学、等温吸附模型、最佳吸附浓度和循环稳定性。研究表明,活化剂的浓度为1 M、温度为700℃、活化时间为1 h时获得的PSCFAs样品比表面积最大(约为1469.03 m^(2)/g),孔隙总体积最大(0.594 cm^(3)/g),对水中MB的最大吸附浓度高达476 mg/g。PSCFAs对MB的吸附行为符合Langmuir方程(R^(2)=0.99956-0.99972)和二阶动力学模型(R^(2)=0.9987)。

原位制备磁性碳纳米纤维复合气凝胶及其吸波性能研究

以聚丙烯腈(PAN)为碳源,在PAN纺丝液中引入磁性材料乙酰丙酮铁,通过静电纺丝制备复合纳米纤维膜,再通过预氧化、高温碳化制备磁性碳纳米纤维(FeCNF);然后用水性聚氨酯和可溶性淀粉作为黏结剂,采用冷冻干燥和高温热解法制备碳纳米纤维复合气凝胶(FeCNFA);研究了FeCNF的化学结构、FeCNFA的微观形貌和吸波性能,并探讨了FeCNFA的吸波机理。结果表明:通过静电纺丝法成功在FeCNF中引入了磁性材料,纤维内部的磁性成分主要是四氧化三铁及铁碳合金;FeCNFA内部呈现三维多孔结构;随着热解温度的升高,FeCNFA的吸波性能逐渐变弱,热处理温度为400℃时FeCNFA表现出良好的吸波性能,在匹配厚度为3.0 mm时FeCNFA的反射损耗为-40.27 dB,且有效吸收带宽(EAB)可达5.28 GHz,在匹配厚度为2.6 mm时EAB可拓宽到5.68 GHz;FeCNFA的吸波机理以介电损耗为主要机制,磁损耗中主要以涡流损耗为主。

碳纤维对气凝胶/水泥基复合隔热材料结构与性能的影响

以SiO_(2)气凝胶、水泥基、玻璃微珠为添加物,探究不同碳纤维加入量对SiO_(2)气凝胶复合隔热板性能的影响,利用BET比表面积、红外光谱(FT-IR)、热导率分析、密度分析的检测方法对复合材料的结构和性能进行表征。结果表明:碳纤维的添加并未改变复合材料的孔隙结构,也没有引起复合材料内部发生化学变化,仍保留着气凝胶隔热材料多孔结构的优良特性;随着碳纤维添加量的增加,引起了复合材料的比表面积、密度、热导率的改变;碳纤维添加量为1%(wt,质量分数)时,复合材料的热导率最低,孔径和孔容相对较大、密度相对较高,对复合材料具有加强作用。

炭材料用作电吸附剂的研究与进展

电吸附剂的研究是开发电吸附技术的关键环节之一。通过评述石墨、颗粒活性炭、活性炭纤维和炭气凝胶四种炭材料作为电吸附剂的研究与进展,不难看出:炭材料的确是一种很有优势和前景的电吸附剂材料,它在去除有机污染物和无机盐(离子)方面都显示了巨大的潜力。因此在开发研究电吸附技术的进程中,不断开发多种炭材料电吸附剂是十分重要而又非常必要的。

离子交换及多孔材料的制备与应用

离子交换和多孔材料是一类高效的吸附剂,这类新型的高效吸附分离材料具有高的比表面积或丰富的表面官能团;显示出高的吸附容量、快的吸附或脱附速度和一定的吸附选择性;可织成束、纸、布、毡等多种集合形态.本文简要地介绍了包括离子交换纤维、螯合纤维、活性碳纤维、碳气凝胶等新型离子交换和多孔材料的制备、吸附特征研究的进展,并介绍了它们在饮用水净化、环境治理、资源回收、化学工业和医疗卫生、催化剂等方面的应用.

常压干燥法制备碳纤维增强型碳气凝胶

在传统方法制备碳气凝胶的基础上,以常压干燥代替超临界干燥,成功制备了碳气凝胶CRFs以及碳纤维针刺毡增强型碳气凝胶CF/CRFs,并通过SEM、BET测试方法对两者的内部微观结构进行了表征。制备的CRF具有典型的三维连续网络结构,催化剂含量不同影响了CRF的骨架颗粒和孔径大小。在CF/CRFs内部,碳纤维针刺毡和CRF能达到较好的复合效果,附着在纤维表面的CRF保持了纳米网络结构,但是纤维对CRF内部的骨架颗粒和孔径具有显著的影响,由力学分析得知碳纤维针刺毡的复合使CRF具有较好的抗弯和抗压性能。

不同制备工艺生物质基碳气凝胶油水分离性能的研究进展

综述了采用生物质材质和不同干燥方法与高温热解法相结合获得碳气凝胶的方法;分析讨论了制备工艺、生物质原料对碳气凝胶性能的影响,最后对研究前景和发展方向进行了展望,并提出相关建议。

碳气凝胶阴极用于电化学臭氧体系去除布洛芬的机理试验研究

以天然棉花为前驱物,通过直接一步热解法制备了新型碳纤维气凝胶(CFA)阴极,用于电化学臭氧技术(E-O 3-CFA),通过SEM、BET、XPS等方法对CFA进行成分和结构分析,系统地研究了E-O 3-CFA体系对水中布洛芬(IBP)的去除情况,考察了阴极材料、臭氧浓度、电流强度和初始pH值等因素的影响,分析该体系去除IBP的途径和机理,并对能耗进行计算。结果表明,CFA是一种多孔互联的三维网状结构,孔隙发达,比表面积高且表面存在丰富的含氧官能团,在电流强度为300 mA、O 3浓度为16 mg/L、未调节初始pH值的条件下,E-O 3-CFA体系对水中IBP的去除率高达97.96%,高于使用其他阴极材料的电化学臭氧体系(不锈钢阴极83.11%、活性炭纤维阴极94.78%、石墨阴极89.05%),CFA阴极的使用进一步降低了电化学臭氧体系的单位能耗(SEC=2.49 kW·h/gTOC),该体系主要通过以羟基自由基(·OH)为主的自由基路径氧化降解有机物。

酚醛气凝胶/炭纤维复合材料的结构与烧蚀性能

分别以密度为0.15 g/cm^3的铺层炭纤维毡和炭纤维穿刺编织体作增强体,采用酚醛树脂浸渍炭纤维,经溶胶-凝胶过程,制备出不同密度和结构的酚醛气凝胶/炭纤维复合材料(PAC)。研究表明,所制复合材料具有轻质(0.27～0.40 g/cm^3)和低热导率(0.056～0.068 W·(m·K)^(-1))特点;炭纤维穿刺编织体复合材料(P-PAC)的弯曲强度是铺层炭纤维毡复合材料(L-PAC)的2倍,当P-PAC密度为0.40 g/cm^3时,其弯曲强度可达35.9 MPa;P-PAC具有更优的耐烧蚀性能,在2 000℃、60 s的烧蚀条件下,其质量烧蚀率为0.0043 g/s、线烧蚀率为0.0147 mm/s。酚醛粒子因纳米尺寸效应能够完全分解、蒸发、升华,充分带走表面热,而气凝胶多孔结构也有效的阻止表面热量向内部传递,因而酚醛气凝胶/炭纤维复合材料具有优异的微烧蚀/隔热一体化功能。

能源互联网背景下的新型碳材料在超级电容器储能技术中的应用与发展

超级电容器是一种介于传统静电容器和化学电池之间的新型储能元件,具有功率密度大、充放电速度快、使用寿命长、绿色环保等特点。而作为超级电容器重要的组成部分——电极材料,对超级电容器的电化学性能和市场应用起到重要的影响和制约。近年来,以碳气凝胶、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等为代表的新型碳材料,成为超级电容器电极材料的研究热点,有望成为新一代电极材料。对近年来国内外关于新型碳材料的应用与发展进行了综述,并且展望了新型碳材料在超级电容器储能技术中亟需解决的问题和未来发展趋势,为构建能源互联网提供理论依据和技术支持。

玻璃纤维和碳纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料的制备及性能研究

以正硅酸乙酯为前驱体,玻璃纤维和碳纤维为增强相,通过溶胶-凝胶和常压干燥分别制备了玻璃纤维增强型二氧化硅气凝胶(GF/SiO_(2)气凝胶)和碳纤维增强型二氧化硅气凝胶(CF/SiO_(2)气凝胶)复合材料,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、比表面积和孔径分布测试仪、万能力学试验机、导热系数测试仪等手段对材料的结构和性能进行了测试表征,对比分析了玻璃纤维和碳纤维对SiO_(2)气凝胶复合材料结构与性能的影响。结果表明:玻璃纤维与SiO_(2)颗粒基体之间的界面结合较差,制得的GF/SiO_(2)气凝胶具有较差的力学性能(压缩强度=0.676MPa,应变=60%)和较高的导热系数[0.0410W/(m·K)];而碳纤维与SiO_(2)气凝胶颗粒具有较好的界面相互作用,制得的CF/SiO_(2)气凝胶具有良好的力学性能(压缩强度=1.225MPa,应变=60%)和低的导热系数[0.0342W/(m·K)]。

木棉基炭气凝胶的制备、表征及其吸附性能研究

以木棉为原料,采用均质-常压干燥-炭化法制备出了中空管状的木棉基炭气凝胶(KFCA)。利用SEM、氮气吸附/脱附、XRD、拉曼光谱、FT-IR、XPS和接触角测试对KFCA的表面形貌、孔隙结构、晶相结构和表面化学组成进行表征,并以常见的有机溶剂及油类为吸附质研究了KFCA的吸附性能。研究结果表明:KFCA具有独特的中空管状结构,且表现出低密度、表面疏水、比表面积大和孔隙发达等优点。800℃炭化温度下制备的KFCA(KFCA-800)的水接触角为134.0°,比表面积为170.22 m^(2)/g,平均孔径为4.022 nm,孔容积为0.22 cm3/g;KFCA-800由C、H、O组成,其中C主要以CO和CC官能团形式存在。炭化温度对KFCA吸附性能有一定的影响,其中以KFCA-800吸附性能最佳,对泵油、大豆油、二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、丙酮、正己烷、苯和二甲苯的吸附容量分别可达52.3、34.15、75.21、72.26、54.16、52.79、62.06和38.95 g/g。此外,KFCA可以通过简单的干燥和萃取-干燥法再生,KFCA-800在循环吸附5次后,对乙醇的吸附容量为69.54 g/g(达初始吸附量的90%以上),对大豆油的吸附容量为26.16 g/g(达到初始吸附量的75%左右)。

热电池常用绝热材料的发展与展望

热电池绝热材料用于延长热电池的工作时间,降低热电池表面对弹上电子元器件的热辐射,其材料的选用、厚度设计等是热电池热设计的重要组成部分。阐述了国内外热电池常用的几种绝热材料的导热性能,并展望了绝热材料的发展方向。

碳纤毡和硅酸铝纤维增强二氧化硅气凝胶的制备及性能

以正硅酸乙酯为硅源,聚丙烯腈基(PAN)预氧化碳纤维毡(简称碳纤维毡)和硅酸铝纤维毡为增强材料,通过溶胶―凝胶和常压干燥分别制备了碳纤毡增强型和硅酸铝纤维增强型二氧化硅气凝胶复合材料,通过对材料化学结构、微观结构、力学性能、导热率的测试表征,分析对比了两种纤维增强型气凝胶的综合性能。结果表明,碳纤维毡增强型二氧化硅气凝胶具有较高的抗压强度(1.48 MPa,应变=10%),但其保温隔热性能不如硅酸铝纤维增强型二氧化硅气凝胶(导热率=0.0338 W/(m·K))。

绿色高效可回收的新型吸附剂:竹纤维基碳纤维气凝胶

原油外溢、化学药品泄漏以及工业废水的任意排放导致的水体污染越来越严重,已成为一个亟待解决的重要问题。为了开发新型高效的吸附材料,社会各界已经进行了广泛的研究。特别是近十年来,随着绿色化学（Green Chemistry）概念的普及,人们对天然可持续的和可降解的生物资源产生了巨大的研究兴趣。

石墨烯气凝胶复合防火面料防护性能的影响因素

为进一步提高热防护服的综合性能,满足增加防护性和降低热应激的需求,构建了石墨烯气凝胶复合面料系统。通过不同的评价指标,在低辐射热环境下探讨了制备过程中氧化石墨烯水溶液的质量分数、石墨烯气凝胶的厚度、石墨烯气凝胶中是否添加碳纤维3个因素对复合面料系统热防护效果的影响。实验结果表明,与对照组相比,加入石墨烯气凝胶的复合面料系统有较好的热防护性能,可将人体产生热损伤的时间延长165%~318%,将产生二级烧伤时间延长87%~225%,将面料系统最大温差降低35.6%~63.9%;温升12℃的时间、温升24℃的时间和面料系统最大温差3个影响因素之间存在交互作用,而指标面料系统到达最高温度的时间在3个因素之间不存在交互作用,碳纤维因素主效应显著。