三维碳凝胶基催化剂在CO_(2)催化转化中的应用研究进展

随着化石能源的过度消耗和CO_(2)的大量排放,能源与环境问题日渐严重。将温室气体CO_(2)催化转化为高附加值的燃料和化学品,是解决能源短缺和环境问题的理想途径。光催化、电催化和热催化是CO_(2)催化转化的常用策略。在各种催化过程中,普遍存在载流子复合率高、催化剂团聚和催化剂回收困难等问题。三维碳凝胶因具有高导电性、高比表面积、高孔隙率、高CO_(2)吸附性、资源丰富和环境友好等特点,被应用于各类催化反应体系中。重点介绍了CO_(2)催化转化的理论基础以及光催化、电催化和热催化CO_(2)的原理、三维碳凝胶基催化剂在三类CO_(2)催化转化体系中的最新进展,并提出了三维碳凝胶基催化剂未来发展的机遇和挑战。

三维碳球的物理性质研究

利用密度泛函理论(DFT)和波函数分析方法,从理论上探讨了三维碳球的光学性质。研究了紫外-可见光(Ultraviolet-visible, UV-vis)吸收光谱中的电子跃迁机制;通过跃迁密度矩阵图(Transition Density Matrix,TDM)和电荷差分密度图(Charge Density Difference, CDD),研究了三维碳球的电子激发特性;对拉曼(Raman)光谱进行了计算,并进一步解释了三维碳球的振动模式;利用静电势(Electrostatic Potential,ESP),研究了三维碳球与外界环境的相互作用;基于外加磁场下的磁感应电流,研究了三维碳球的电子离域程度。结果表明,三维碳球的吸收光谱主要在紫外光区域,并且有较强的电子离域能力。研究结果可为其他三维π共轭分子结构在线性光学和非线性光学中的应用提供理论基础。

SiO_2涂层制备工艺对三维碳纤维编织体抗氧化性能的影响

采用溶胶-浸渍法,在三维碳纤维编织体的纤维表面涂覆SiO_2涂层。实验研究了涂层制备工艺对编织体抗氧化性能的影响。结果表明,纤维经丙酮、硝酸处理后,再采用粘度为0.01～0.012(Pa·s)、分子生长模式为线性的溶胶浸渍,当涂层厚度为0.5μm左右时,浸渍试样抗氧化性能好,完全氧化失重温度为900℃,较之原始编织体提高300℃。涂层过厚或过薄,编织体抗氧化性能下降,这是由于涂层在纤维表面分布不均匀或与纤维表面结合性较差引起的。

粉煤灰混凝土二维、三维碳化深度的预测

通过快速碳化试验,研究了不同粉煤灰掺量(0%,20%,40%,60%)下高性能混凝土一维、二维和三维碳化深度;定义了二维和三维碳化的交互系数;分析了二氧化碳扩散时间依赖性系数n和二维、三维交互系数K;推导了包含n和K的二维和三维碳化数学模型.实验表明,混凝土的二维、三维碳化具有一个明显的交互作用;交互系数服从经时衰减函数;通过傅立叶级数展开多维扩散交互系数,可求解基于Fick第一扩散定律的二维和三维碳化寿命预测的数学模型.通过对苏通大桥箱梁部位结构混凝土寿命进行预测,其一维、二维和三维预测寿命分别为1 595年、882年和758年,二维和三维碳化寿命明显降低.

混凝土二维、三维碳化的研究

研究了不同水灰比(0.3、0.3 5和0.4),不同粉煤灰掺量(0,1 5%,2 0%,4 0%,6 0%)下混凝土二维和三维碳化深度;建立了二维和三维碳化的测试方法;提出了二维和三维碳化的数学模型。试验表明,混凝土的二维、三维碳化深度和一维碳化相似,也服从时间t的指数函数;水灰比对二维碳化的影响最大,一维其次,三维最小;粉煤灰掺量小于15%时,其对三维的影响最大,二维其次,一维最小;粉煤灰掺量大于15%时,掺量对二维、三维碳化的影响和一维碳化影响相近。混凝土二维和三维碳化研究对混凝土结构耐久性和寿命预测具有现实意义。

SiC涂层/三维碳纤维编织体的氧化动力学和机理研究

采用原位反应法在三维碳纤维编织体(简称:RB)的纤维表面制得SiC涂层,通过 XRD、SEM、等温氧化失重和非等温热重分析等测试手段研究了制备方法对SiC涂层均匀性 的影响,并对SiC涂层／碳纤维编织体(简称:CB)材料在等温和非等温条件下,氧化反应的 动力学和反应机理进行了研究.结果表明:SiC涂层均匀、完整地涂覆于编织体内外各纤维表 面;材料等温氧化反应的机理为第一阶段反应控制,第二阶段扩散和反应共同控制;材料的非 等温氧化过程呈现自催化特征,氧化机理为随机成核,氧化动力学参数为:lgA=9.615min-1; Ea=201.73kJ·mol-1.

粉煤灰混凝土二维、三维碳化及其叠加系数的研究

通过研究不同粉煤灰掺量(0%、15%、20%、40%、60%)下高性能混凝土的二维和三维碳化深度,建立二维和三维碳化的测试方法,提出二维和三维碳化的数学模型,定义二维和三维碳化的叠加效应系数,并给出二维和三维叠加效应系数的数学公式。试验表明,混凝土的二维、三维碳化与一维碳化相似,也是服从时间的指数函数,同时具有明显的叠加效应;早期碳化时,二维叠加系数能到4.0以上,三维叠加系数能到6.0以上;碳化至28d(相当于自然碳化50年)时,二维叠加系数能到2.0以上,三维叠加系数能到4.0以上;叠加系数服从经时衰减函数。

三维碳纤维网格筋增强混凝土板受弯理论分析

介绍了一种可以运用到海港、无磁环境的CFRP混凝土薄板——三维碳纤维网格筋增强混凝土板,用碳纤维网格筋代替容易锈蚀的钢筋,并在上下CFRP网格筋之间用CFRP工字棒连接,既增强了构件的整体性,又提高了混凝土板的刚度。运用截面换算法推导出了三维碳纤维网格筋增强混凝土板在正常使用阶段的截面有效抗弯刚度;在假定"超筋"破坏的前提下,用平截面假定推导出了三维碳纤维网格筋增强混凝土板的抗弯极限承载力;依据相关规范进行三维碳纤维网格筋增强混凝土板的设计并给出设计实例及计算方法。

ZrO_2-SiO_2复合涂层/三维碳纤维编织体材料的氧化动力学研究

采用溶胶-浸渍法,在三维碳纤维编织体(简称:RB)的纤维表面涂覆ZrO2-SiO2复合涂层,通过XRD、SEM、等温氧化失重和非等温TG-DSC等手段研究了制备方法对涂层完整性的影响,并对涂层/编织体材料(简称:CB)氧化反应的动力学进行了系统研究。结果表明:采用该方法所得到的涂层均匀完整,与纤维表面结合良好,能显著提高编织体材料的抗氧化性能;等温条件下,材料失重低于70%时,其失重率与氧化时间呈线性关系,反应速率常数随温度的升高而增大,材料失重高于70%时,其失重率与氧化时间呈抛物线关系;非等温条件下,材料的氧化过程呈现自催化特征。

sp^2杂化三维碳材料构建研究进展

sp^2杂化是碳碳成键的重要方式之一,利用其三重对称空间构型可以得到稳定的石墨结构和亚稳定的富勒烯、纳米碳管、石墨烯等碳纳米结构;未参与杂化的电子形成游离的π键,使得以上材料具有较好的电子导电性或其他独特的电学性质.因其优异的物理、化学、生物等特性,sp^2杂化碳材料,尤其是sp^2杂化纳米碳材料引起了巨大关注,有望在电子、能源、生物医疗、制药、功能材料等领域得到广泛应用.在已经进行的众多研究中,经常需要把上述碳纳米材料进行组装、构建成三维材料,从而在更大的尺度和空间中体现纳米基元的优异特性.本文综述了基于sp^2杂化的三维碳材料的最新进展,以构建方式和构建基元之间的相互作用为出发点进行相关评述.

径向基神经网络在粉煤灰混凝土二维和三维碳化分析中的应用

研究了不同粉煤灰掺量(0%,15%,40%,60%)、不同水灰比(0.3,0.35,0.4)、不同强度等级下(C30～C50)高性能混凝土二维和三维碳化深度;应用多因子输入向量的径向基神经网络(RBF)进行二维和三维碳化深度的预测。试验表明,采用多因子输入向量的径向基神经网络能够在试验样本数量较少的情况下建立高效准确的预测网络,可以较好地预测混凝土的碳化深度,其二维和三维碳化深度预测精度比一维精度高,其一维,二维和三维碳化深度的预测值和试测值相对误差分别为10.9%,5.6%,7.1%。混凝土二维和三维碳化研究对混凝土结构耐久性和寿命预测具有现实意义。

SiO_2涂层/三维碳纤维编织体材料的氧化动力学和机理研究

采用溶胶-浸渍法,在三维碳纤维编织体的纤维表面涂覆SiO2涂层,通过XRD、SEM、等温氧化失重和非等温TG-DTG等测试手段研究了制备方法对涂层完整性的影响,并对涂层/编织体材料(CB)氧化反应的动力学和机理进行了系统研究。结果表明:采用该方法所得到的涂层均匀完整,与纤维表面结合良好;等温条件下,材料失重低于70%时,定温下,其失重率与氧化时间呈线性关系,反应速率常数随温度的升高而增大。材料的氧化过程随温度升高可分为2个阶段:第1阶段为反应控制,第2阶段为扩散和反应共同控制,分界点为600℃;非等温条件下,材料的氧化过程呈现自催化特征。

三维碳纳米材料的制备及其电化学性能

以生物质废弃物柚子皮为原材料,采用先水热后碳化的方法,制备出三维碳纳米材料.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等分析手段对产物的物相、形貌进行了表征分析,并将产物作为钠离子电池的负极材料,研究不同碳化温度对其电化学性能的影响.结果表明,当碳化温度为600℃时得到的三维碳纳米材料电化学性能最好,在50 m A·g^(-1)电流密度下,初始放电比容量高达430 m Ah·g^(-1),500圈循环后容量保持率可达稳定时的90%.

杂原子掺杂三维碳基材料在超级电容器中的研究进展

具有低维度结构的碳材料往往因为自身的不稳定性难以实际应用,与之相比,三维(3D)碳基材料由于自身超高的比表面积、互连的多孔网络通道、独特的孔隙、优良的机械稳定性等特性正在成为有前途的超级电容器电极材料。然而,对于电化学电容器来说碳材料本身的比容量低,杂原子掺杂技术的提出与实践提高了碳基材料的上限。本文主要论述了近些年科研人员将N、S、P等杂原子掺入三维碳基材料应用于超级电容器领域的最新研究进展。

三维碳负载镍掺杂对MgB_(2)微观结构和超导性能的影响

寻找满意的第三组元并通过简单的化学掺杂获得高性能的MgB_(2)超导体,对推进MgB_(2)的实用化进程有着十分重要的意义。采用盐模板冻干法合成了三维碳(3DC)和三维碳负载镍(3DC/Ni)两种粉末,并通过原位掺杂的方式使用固相烧结法分别制备了含有这两种添加剂的MgB_(2)块材。借助X射线衍射技术及扫描电子显微镜对3DC掺杂MgB_(2)和3DC/Ni掺杂MgB_(2)的物相组成及微观形貌进行了表征,同时结合磁学测量系统探究了两种添加剂对MgB_(2)超导性能的影响。结果表明,3DC可以形成有效的碳掺杂提高MgB_(2)在高场下的载流性能;掺杂3DC/Ni后在Mg-Ni低温液相辅助烧结及3DC提供形核位点的协同作用下改善了MgB_(2)的晶粒连接性,同时也提高了MgB_(2)的磁通钉扎能力。采用冻干法合成的Ni颗粒在纳米尺度,解决了小尺寸掺杂易团聚的问题,但由于Ni为磁性粒子,使3DC/Ni掺杂MgB_(2)的临界电流密度(J_(c))没有明显提高。寻找一种更有效的金属纳米粒子是今后的尝试方向。

基于双模板法钠离子电池三维碳基负极复合材料的制备和性能

负极复合材料的制备研究是钠离子电池得以商业化生产的关键要素,对此,开展基于双模板法钠离子电池三维碳基负极复合材料的制备和性能研究。通过选择制备试剂及设备、基于双模板法的材料制备与热处理流程、材料结构及形貌表征,实现钠离子电池三维碳基负极复合材料的制备。通过对制备材料的电化学性能和阻抗性能研究发现,利用双模板法制备的负极复合材料具有较好的电化学性能和阻抗性能。

SiC-SiO2涂层/三维碳/玻纤维编织体的制备及其抗氧化性能

为获得具有抗氧化性能的三维碳/玻纤维编织体,以三维碳/玻纤维编织体为预制体,通过原位浸渍法-惰性气氛热处理在纤维表面形成SiC-SiO2涂层。利用SEM、FTIR、XRD、氧化失重等对涂层试样的组成、形貌、抗氧化性能进行表征。结果表明:通过溶胶-凝胶法成功在三维碳/玻纤维编织体的纤维表面制备出SiC-SiO2涂层,当水、正硅酸乙酯(TEOS)、乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)和无水乙醇溶液比例为7∶7∶0.5∶11,溶胶粘度范围为3.17~4.20 mPa·s,溶胶与编织体的浸渍时间大约为35 min时,试样(碳纤维与玻璃纤维涂层厚度分别约为0.50、0.76μm)的抗氧化性能较好;涂层/三维碳/玻纤维编织体相较于初始试样的氧化转变温度提高了100℃。涂层不仅可改善编织体的抗氧化性,其力学性能比初始试样提高约65%,具备作为高温抗氧化材料的前景。

钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接静力学性能研究

对钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接进行静力学性能研究。先对相同试件宽度及连接端距下的2种不同料厚组合的钢板与三维编织碳纤板盲端拉铆连接试件进行静力学试验,而后对同一料厚组合不同试件宽度W及连接端距E下的盲端拉铆连接组合进行静力学试验,以研究钢板与碳纤复合材料盲端拉铆连接的静力学性能、失效模式以及试件宽度、连接端距对其静力学性能的影响。研究表明:采用盲端拉铆钉连接钢板与碳纤板可获得较好的力学性能;碳纤板与钢板盲端拉铆连接组合的失效模式及连接最大破坏载荷与三维编织碳纤板切割方向相关;试件宽度及连接端距对连接的失效模式及最大破坏载荷均有影响。

三维四向碳/碳复合材料力学性能预测与试验验证

针对三维四向碳/碳复合材料力学性能预测问题,基于参数传递多尺度分析方法建立微结构模型,并结合细观力学方法实现了基本力学性能的预测。首先在微观尺度采用随机扰动算法构造出纱线体积代表单元(RVE)模型,预测得到纤维束有效性能参数。同时,采用观察试验法构建三维四向碳/碳复合材料细观RVE模型。最后通过均匀化理论准确预测了复合材料弹性性能参数,并讨论了纱线填充因子对三维四向碳/碳复合材料弹性性能参数的影响,开展了相关试验。结果表明:建立的多尺度有限元模型的拉伸模拟预测结果与试验结果误差在5.5%左右;复合材料弹性性能参数对纱线填充因子的敏感度各不相同。

纳米硒化铁/三维多孔碳负极材料的制备及其电化学性能

作为钠离子电池负极材料,FeSe_(2)在循环过程中易发生团聚,导致循环性能下降,通过制备碳基复合材料可解决此问题。本文以NaCl为模板,利用冷冻干燥技术制备了三维多孔碳(3DPC),同时采用水热法制备了FeSe_(2)、FeSe_(2)/3DPC负极材料,通过调节FeSe_(2)含量制备了不同比例的FeSe_(2)/3DPC复合材料,考察了复合材料的电化学性能。结果表明:FeSe_(2)/3DPC复合材料具有比FeSe_(2)和3DPC更优异的电化学性能,在1.0 C倍率下,初始放电比容量为823 mA·h/g,循环1000周后可逆放电比容量保持率为25.2%。当FeSe_(2)质量分数为40%时,材料具有最高的放电比容量;在1.0 C倍率下,循环1000周后可逆放电比容量为150 mA·h/g,电化学性能最佳。本研究成果可为钠离子电池负极材料的设计提供参考。