中空碳球负载的镍铁双金属单原子催化剂用于高性能锂硫电池研究

锂硫电池(lithium-sulfur battery,LSBs)是一种基于多电子转化反应机制的新型锂离子二次电池,具有能量密度高、环境友好、成本低廉的优点。然而,多硫化物的穿梭现象和硫正极反应动力学缓慢限制了LSBs的实用性。设计了一种负载镍铁双金属单原子催化剂的多孔空心碳球(NiFe-HCS)用作高效的硫载体纳米反应器。NiFe-HCS具有高比表面积,可以实现高的硫载量,且其空腔结构可以缓冲硫的体积膨胀。原子级Ni与Fe提供了丰富的化学吸附位点,不仅能够通过强的物理束缚和化学吸附能力抑制多硫化物的溶解和扩散,而且能够提高硫的利用率,促进多硫化物的反应还原动力学,有效地提高其催化转化效率。因此,基于NiFe-HCS纳米反应器的LSBs实现了高比容量、高倍率性能和超长的循环稳定性,在2 C电流密度下初始的质量比容量为1002 mAh/g,经过500次循环,电容量保持率为94%,并且在8 C电流密度下表现出优异的高倍率性能,质量比容量为932 mAh/g,显示了此纳米反应器在高能量密度锂硫电池中的巨大应用潜力。

以酚醛树脂为前驱体合成氮掺杂中空碳球及其类酶活性研究

以间苯二酚甲醛树脂为前驱体,三聚氰胺为氮源,球形碳酸钙为模板剂,氢氧化钾为扩孔剂,通过硬模板法合成了氮掺杂中空碳球(NHCSs),通过扫描电子显微镜、场发射透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪对NHCSs的微观形貌、表面元素组成及化学价态进行了表征,探究了NHCSs过氧化物模拟酶活性及反应体系中产生的活性氧中间体。结果表明:在弱酸性和H_(2)O_(2)存在的条件下,NHCSs可以快速地催化氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)生成蓝色产物;经过氢氧化钾扩孔处理后的NHCS-1对TMB和H_(2)O_(2)具有良好的亲和力;超氧自由基·O_(2)^(-)和羟基自由基·OH是主要的活性物种。采用简单快速的比色法检测H_(2)O_(2),线性范围为8~1000μmol/L,检测限为4.97μmol/L。

氮掺杂中空碳材料的制备及其超级电容性能研究

鉴于传统化石能源的不可再生性,目前针对清洁能源的研究越发紧迫与重要。伴随新能源汽车等一系列以电能为主要动力来源的交通工具的发展,市场对储能器件的要求也日益提升,其中锂电池、燃料电池、超级电容器等方向备受青睐。双层超级电容器由于其充放电行为只涉及物理变化,过冲与过放均不会对其电化学性能产生影响以及速充放电等特点备受市场的期待。本工作采用“一锅煮”的方法合成了性能优异的氮掺杂中空碳材料,并将其应用于超级电容器。通过电化学性能测试发现,氮掺杂以后能够有效提高材料的导电性能,加快离子的传输,在1 A/g恒电流充放电时,比电容可达76 F/g,循环2000次的电容保持率达到98%。

Fe-Co合金和中空碳纤维吸波材料的吸波特性研究

采用矢量网络分析仪测试了Fe-Co合金/石蜡和中空碳纤维/石蜡复合材料的微波电磁参数,并用电磁参数模拟计算了单层吸波材料的反射率。根据电磁波在损耗媒质中的传播规律,分析了2种吸波材料的吸收机理以及本征阻抗和衰减特性对吸波性能的影响。结果表明,Fe-Co合金吸波材料为吸收损耗型吸波材料,阻抗越大、衰减越强,吸波性能越好;而中空碳纤维吸波材料则是干涉型吸波材料,需要适当大小的阻抗和衰减才能满足强吸收的条件,且吸收带宽相对较窄。

同轴静电纺丝再经两步后处理制备PAN基中空碳纤维

采用聚丙烯腈(PAN)溶液作为壳层,甲基硅油作为芯层,利用同轴静电纺丝技术制备出外径为3μm的同轴PAN复合纤维,经过预氧化和炭化后可以制得直径约为1μm的中空碳纤维.采用扫描电镜(SEM)观察中空纤维形貌.傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)表征了热处理前后纤维成分变化.分析了同轴射流结构、芯液/壳液流速比Vin/Vout对中空结构的影响.研究表明,同轴内针尖伸出外针尖的距离Zp是影响同轴射流形成的主要因素,伸出长度Zp约为外针孔半径rout的1/2时得到同轴射流,Zp>0.7rout时从冠状锥体周围产生许多射流,不能在锥顶部形成同轴射流.芯液/壳液流速比Vin/Vout对中空结构的形成有较大影响,当Vin/Vout=0.5时得到多孔纤维,增大芯液流速,当Vin/Vout=1时得到中空纤维,继续增大Vin/Vout=2时得不到同轴射流.

聚丙烯腈基中空碳纤维的制备及电化学性能研究

通过静电纺丝法制备含有添加剂多壁碳纳米管(MWCNTs)和氯化锌(ZnCl2)的有序排列聚丙烯腈(PAN)基中空微纳米纤维,经预氧化、碳化和酸化处理后得到多孔PAN基中空碳纤维。通过场发射扫描电子显微镜观察表明,MWCNTs增加了PAN基碳纤维的表面粗糙度,而ZnCl2增加了纤维表面的孔洞结构。由吸附仪测试碳纤维的比表面积发现,多孔PAN/MWCNTs/ZnCl2碳纤维(两中空)的比表面积达到356.8m2/g,是PAN碳纤维的3.7倍。由循环伏安曲线看出,多孔PAN/MWCNTs碳纤维(两中空)较PAN碳纤维具有更好的电容性能。

聚丙烯腈基活性中空碳纳米纤维制备及其性能

为制备具有较高孔隙率的聚丙烯腈(PAN)活性中空碳纳米纤维(AHCNF),以自行制备的PAN为原料,经同轴静电纺丝、预氧化、炭化、活化后制备得到AHCNF,借助X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、比表面积测试仪研究了致孔剂对其形态与孔结构的影响。结果表明:制备的PAN共聚物环化温度较低,环化放热较缓和,有利于预氧化的进行;炭化过程将PAN表面的碳氧单键转化为碳氧双键,而活化过程将碳氧双键进一步转化为酯基;添加致孔剂和未添加致孔剂得到的PAN活性中空碳纳米纤维横截面呈明显的中空结构,纤维壁较为致密;添加致孔剂后,活性中空碳纳米纤维的总比表面积从55.719m^2/g增加到532.639m^2/g,孔容从0.070cm^3/g增加到0.312cm^3/g,介孔平均孔径从3.408nm增加到4.309nm,收率从27.14%降低到9.44%。

聚丙烯腈基中空碳纤维膜制备及结构研究

研究了在不同工艺条件下制备的聚丙烯腈(PAN)基中空碳纤维膜和预氧化膜及其结构特征。通过实验得出,基膜的拉伸使预氧化膜和碳化膜致密化,在制备PAN基膜时加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚酰亚胺YJ-16添加剂,有助于保持中空纤维膜的指状孔结构,得到孔结构较好的预氧化中空纤维膜和中空碳纤维膜。

酚醛树脂基中空碳球的制备

以磺化聚苯乙烯为模板,酚醛树脂为前驱体,利用模板法制备了球壳厚度为50～85nm的中空碳球。采用红外光谱(FT-IR)表征聚苯乙烯的磺化程度,并借助扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究中空碳球的中空结构。结果表明,随着磺化时间的增加,中空碳球的直径和球壳厚度都有增加的趋势;当磺化时间小于2h,形成的球壳较薄,在碳化过程中容易发生塌缩。酚醛树脂的加入量也影响中空碳球的直径与球壳厚度。当酚醛树脂加入量较少时,球壳容易发生破裂。

聚丙烯腈前驱体的优化及其中空碳纳米纤维的制备

为制备力学性能较好的聚丙烯腈(PAN)中空碳纳米纤维,首先通过正交试验研究了PAN聚合参数对聚合反应的影响,然后选取适宜于纺丝的PAN进行同轴静电纺丝、预氧化、碳化,对得到的中空碳纳米纤维进行表征。结果表明,引发剂用量(A)对PAN相对黏均分子质量的影响最大;第二单体衣康酸浓度(B)对PAN环化放热的影响最大;第三单体丙烯酸甲酯浓度(C)对PAN聚合收率的影响最大。SEM分析结果表明,PAN中空碳纳米纤维横截面具有明显的中空结构,纤维表面较为致密。BET测试结果表明,PAN中空碳纳米纤维的孔容为0. 069 69 cm^3/g,比表面积为55. 719 m^2/g。

同轴静电纺丝参数对聚丙烯腈中空碳纳米纤维形态与炭化收率的影响

为制备可实用聚丙烯腈(PAN)中空碳纳米纤维,考察了同轴静电场施加方式、芯层组分及芯层针头直径对PAN碳纳米纤维中空结构的稳定形成及其炭化收率的影响。实验结果表明:芯层组分会影响PAN纳米纤维壳-芯结构及其碳纳米纤维中空结构的形成,静电场施加方式和芯层针头直径的影响不大。扫描电子显微镜观察结果显示,以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液或甲基硅油为芯层的PAN碳纳米纤维横截面呈明显的中空结构,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液或空气为芯层时则呈实芯结构。以PMMA溶液为芯层时,由于芯层与壳层PAN具有相同的溶剂二甲基甲酰胺却又互不相溶,因而PAN纳米纤维能稳定形成壳-芯结构且壳-芯界面相容性好,炭化后的PAN中空碳纳米纤维表面形态最好,中空结构较为规则,炭化收率为28%~31%。

中空碳纳米球的氨基钠活化及其VOCs吸附性能

为了提高中空碳纳米球(HCNS)对挥发性有机化合物(VOCs)的吸附性能,用氨基钠(NaNH_(2))对HCNS进行活化处理,使活化后HCNS的比表面积和微孔增加。实验考察了活化剂的质量和活化温度对活化后HCNS性能的影响。结果表明:当NaNH_(2)和HCNS的质量比为3,活化温度为500℃得到的样品性能较优;样品HCNS-3-500的比表面积和孔容最大,分别为1589 m^(2)/g和1.96 cm^(3)/g;对正己烷、甲苯和92#汽油的静态吸附容量分别为2.70,1.93和1.36 g/g,单组份正己烷和甲苯的动态吸附容量分别为2.61 g/g和1.85 g/g。活化HCNSs的性能均远高于商业化吸附剂AC和SG。

沥青基中空碳纤维的制备及其吸波性能

以中间相沥青为原料,采用氮压式纺丝机制备了不同炭化温度的中空截面沥青基碳纤维,通过SEM表征了其断面形貌,利用矢量网络分析仪研究了炭化温度对中空碳纤维电磁损耗性能的影响。结果显示,最佳的炭化温度为900℃时,中空碳纤维具有最大电磁损耗;研究了铺层方式对复合材料吸波性能影响,利用弓形法对复合材料的反射率进行了测试,结果显示,碳纤维交叉铺层时,吸波合格带宽为10GHz,最大吸收峰在25dB。

应力对锂离子电池中空碳包覆硅负极电化学性能的影响

针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上,研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程,基于界面反应动力学,得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合较好,同时预测的应力响应也与实验结果一致,验证了本方法的有效性.其次,研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为,计算结果表明,锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极,随锂化的进行,应力差值越来越大,锂化结束时应力值降低约27%,这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平,使得锂离子浓度水平显著提高,更易达到完全锂化状态.同时,数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%),充分显示出该电极良好的电化学性能.本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制,为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据.

中空碳纤维研究现状及应用

中空碳纤维结合了碳纳米管和碳纤维的优势,其比重小,巨大的比表面积和高强度使其可应用于大容量电容器、增强材料、吸波材料和储氢材料等领域。综述了中空碳纤维国内外的研究现状及最新应用。比较了燃烧合成法、喷淋法、电弧法和静电纺丝等方法制备中空纤维的优缺点并探讨了预氧化、炭化和活化工艺对其性能的影响。提出金属基中空碳纤维、多中空碳纤维的研究方向和熔体静电纺丝制备方法的发展前景。

兔毛基中空碳纤维在锂硫电池中的应用

为开发高性能、低成本的锂硫电池正极储硫材料,利用天然生物质纤维兔毛为前驱体,经预处理和炭化制备了具有杂原子掺杂的兔毛中空碳纤维(RC),并采用热熔融法制得硫/兔毛基碳纤维(S/RC)复合材料。探讨了不同炭化温度对碳纤维形貌结构、S/RC复合材料晶型结构与电导率、锂硫电池的电化学性能及循环充放电稳定性的影响。结果表明:预处理温度为300℃,炭化温度为800℃时,制备的兔毛基中空碳纤维的形貌结构最好,用其作为正极材料制备的电池首次放电比容量达899 mA·h/g,在0.5C倍率下300次循环后放电比容量为598 mA·h/g,仍保持原始比容量的66.52%;在高倍率条件下该电池仍具有较高的放电比容量,1C和2C倍率下放电比容量分别为543.8和505.4 mA·h/g。

磷掺杂中空碳球的制备及其电容性能

以酚醛预聚体和苯乙烯为原料通过水热法一步合成中空聚合物球(HPS),再以三氯化磷为反应剂通过傅-克反应对HPS处理得到含磷交联聚合物,经高温炭化和KOH活化制备磷掺杂中空碳球(AP-HCS)。采用FT-IR,TG,SEM,TEM,Raman,BET,XPS等手段对含磷聚合物和碳材料的组成、结构与形貌进行表征,测试碳材料在1 mol/L H2SO4介质中的电容性能。结果表明:AP-HCS的比表面积可达2177 m2/g,在1 A/g电流密度下,比电容为288 F/g,5 A/g电流密度下经循环充放电5000次后比电容值仍能保持88.9%,具备良好的电容性能。

氮掺杂中空碳球氧化物模拟酶性能研究

纳米酶由于其独特、高效、稳定的催化性质而在生化反应中备受关注。本研究以碳酸钙微球为绿色模板剂,多巴胺为氮源与碳源,合成了氮掺杂中空碳球(N-HCSs)。以3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)为底物,采用紫外分光光度法探究了N-HCSs的类氧化物酶的催化活性,并研究其催化机理。结果表明,N-HCSs具有氧化物模拟酶催化活性,KOH活化后氮掺杂中空碳球的催化活性提高了3倍;N-HCSs氧化物模拟酶催化反应符合Michaelis-Menten方程,活化前后的米氏常数K_(m)分别为0.105和0.083,对底物具有良好的亲和能力;N-HCSs氧化物模拟酶催化反应中起主要作用的活性氧基团是超氧阴离子(O2^(·–))。本研究为高活性无机非金属类氧化物模拟酶的设计和制备提供了理论依据。

爆炸法合成中空碳纳米颗粒

采用爆炸辅助化学气相沉积法,以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为原料,在金属催化剂作用下合成了粒径分布在20nm^40nm的中空碳纳米颗粒.更为重要的是,发现中空碳纳米颗粒可在无金属催化剂作用下自组装形成.在此过程中,控制炸药和碳源的比例对于碳颗粒的结构和尺寸有重要影响.当炸药与碳源的摩尔比例合适时,产物中中空碳纳米颗粒的含量达到95%以上,且粒径分布均匀,约为10nm.

中空碳球负载TiO_(2)纳米颗粒用于增强光催化抗菌性能

以聚吡咯包覆聚苯乙烯核壳结构衍生的中空碳球(hollow carbon spheres,HCS)为载体,乙酰丙酮钛(TOAC)为钛源,通过湿化学法和可控热解法制备了HCS负载纳米二氧化钛(HCS@TiO_(2))复合材料。通过粉末X射线衍射、紫外可见光谱、X射线光电子能谱、热重分析、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光致发光光谱和Mott-Schottky曲线对HCS@TiO_(2)的晶态结构、微观形貌、光学性能等进行表征,并通过调控TiO_(2)的负载量和热解温度对HCS@TiO_(2)复合材料进行了结构优化。在模拟太阳光照射条件下,以大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)为实验对象,研究了不同TiO_(2)负载量的HCS@TiO_(2)复合材料及TiO_(2)和HCS对照样品的光催化抗菌性能,以及光照时间对抗菌性能的影响。结果表明,当TOAC与HCS质量比为15∶1、热解温度为650℃时,最优化的HCS@TiO_(2)-15复合材料对E. coli和S. aureus的抗菌率均达到99%以上,抗菌性能显著优于TiO_(2)和HCS。光照时间的抗菌数据表明,最佳光照时间为90 min,细菌存活率低于1%。