基于分子动力学的芳纶/功能化碳纳米管复合材料体系热力学性能模拟

对位芳纶绝缘纸以其优异的介电性能、力学性能在电气绝缘领域得到广泛应用。为探究不同功能化碳纳米管与对位芳纶共掺的复合材料热力学性能,该文通过分子动力学模拟方法建立了对位芳纶分子体系模型、未功能化碳纳米管以及分别接枝羟基、羧基和氨基官能团的芳纶/功能化碳纳米管复合体系模型。在Materials Studio和LAMMPS中计算了复合材料热导率、玻璃化转变温度、力学性能、结构参数及相对介电常数。结果表明,芳纶复合材料体系各项性能均有不同幅度提升。芳纶/羧基化碳纳米管(PPTA/CNT—COOH)的热导率较掺杂前提升了75.4%,玻璃化转变温度提升了43.29 K。芳纶/羟基化碳纳米管(PPTA/CNT—OH)和芳纶/氨基化碳纳米管(PPTA/CNT—NH2)的热导率依次提升70.2%和63.2%。在力学性能上,复合材料比掺杂前的弹性模量平均增强30%以上,剪切模量增强15%以上。通过计算体系结构参数,从均方位移、自由体积占比、氢键数量与结合强度等分子层面阐释了材料性能增强的内在机理,最终发现PPTA/CNT—COOH在热力学性能上较其他掺杂体系提升最为明显,且碳纳米管的掺入未对材料介电常数引起较大改变,所得结果可为对位芳纶复合绝缘材料的掺杂设计、性能调控提供理论支持。

基于功能化碳纳米管混合基质膜分离CO_(2)的研究进展及产业化应用趋势

二氧化碳(CO_(2))的排放,是导致全球气候变暖的主要原因之一。CO_(2)的捕集、利用与封存技术(CCUS),被认为是减少温室气体的有效方式。膜分离技术作为一种高选择性和低能耗,以及具有较强的可扩展性的碳捕集方法,受到越来越多研究学者的青睐。综述了近年来功能化碳纳米管复合气体分离膜的主要研究进展,详细讨论了碳纳米管的特性、功能化改性、分散形态以及外场辅助对分离膜的影响机制,总结了不同功能化碳纳米管气体分离膜的特性。功能化复合分离膜是以高分子聚合物为基体,加入功能性填料形成的混合基质膜(MMMs),而碳纳米管(CNTs)相较于其他功能性填料,在分离膜的改性强化方面具有很大优势。研究结果表明:对CNTs进行功能基团接枝,有助于提高CO_(2)在MMMs中的扩散速度;CNTs的聚合物的改性,可加速CO_(2)在膜中的传输,提高MMMs对CO_(2)的选择性及渗透性;CNTs的均匀分散,可提高MMMs对CO_(2)的分离效率;外场(磁场和静电场)可使CNTs在聚合物基体中有序排列,为CO_(2)提供有序、长程、易传递的通道,进一步提高MMMs的渗透性。本研究总结了不同形态的CNTs对分离膜的影响,对碳纳米管复合气体分离膜,特别是碳纳米管混合基质膜的未来发展趋势提出了观点;并为以CO_(2)气体分离为重点的工业化应用指明了方向。

功能化碳纳米管/炭黑复合橡胶性能研究

表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对碳纳米管进行非共价键改性包覆,研究功能化碳纳米管与炭黑复合材料性能。结果表明,十二烷基苯磺酸钠与碳纳米管的石墨表面形成π-π堆叠,可有效阻止碳纳米管间的团聚。功能化碳纳米管/炭黑复合材料硫化时间缩短,加工性能得到改善,断裂伸长率提高66.1%,导热率提高8.4%。Payne效应和TEM表明,十二烷基苯磺酸钠包覆碳纳米管可有效改善碳纳米管在橡胶基体中分散,也改善了炭黑在复合材料中的分散。混合填料在橡胶基体均匀分散,加强了填料与基体的界面作用,建立良好的三维空间网络结构,使复合材料性能得到改善。

自组装夹心式功能化碳纳米管复合材料构建电流型甲胎蛋白免疫传感器的研究

在玻碳电极表面自组装一种夹心式的功能化碳纳米管复合膜,即首先在玻碳电极表面滴涂一层Na-fion分散的多壁碳纳米管,通过离子交换作用吸附硫堇分子后,利用硫堇分子与金纳米颗粒之间的共价键合作用组装一层金纳米颗粒功能化的多壁碳纳米管,双重增大电极比表面积,提高抗体固载量的同时可进一步提高电子传递速率,以此为甲胎蛋白抗体的固定化基质,制得电流型甲胎蛋白免疫传感器。实验结果表明,用此夹心式自组装膜固载抗体蛋白分子制得的电流型甲胎蛋白免疫传感器具有高的灵敏度和良好的选择性,检出限(S/N=3)为0.12 ng·mL-1。

基于离子液体功能化碳纳米管负载金-铂纳米粒子的过氧化氢传感器

采用电化学沉积法将金-铂纳米粒子（Au-PtNPs）负载到离子液体功能化的碳纳米管（MWCNTs-IL）表面,构建了一种新型的过氧化氢（H2O2）传感器,采用循环伏安法（CV）、电化学阻抗法（EIS）对修饰电极进行表征.结果表明,电极表面双金属纳米粒子的存在极大地提高了电极的电化学性能,在最优实验条件下,过氧化氢的浓度与电流在1.0×10^（-9）～1.2×10^（-7） mol·L^（-1）范围内呈现良好的线性关系,检出限为4×10^（-10） mol·L^（-1）.

聚乙烯亚胺功能化碳纳米管负载铂@金核壳纳米粒子的过氧化氢传感器

实验以聚乙烯亚胺（PEI）功能化的多壁碳纳米管（MWNTs）作为生长基质,电沉积金纳米粒子（AuNPs）作为晶种,采用种子介导生长法在玻碳电极（GCE）上生长铂纳米粒子（PtNPs）,以此制备了一种新型的过氧化氢（H2O2）传感器。利用电化学方法和冷场发射扫描电镜（FESEM）对此修饰电极（Pt@Au/PEIMWNTs/GCE）进行了表征。示差脉冲实验表明,该电极对H2O2有优异的电催化效果,在9.2×10^-8-2.1×10^-3mol/L范围内H2O2的浓度与电流响应呈线性关系,线性相关系数0.9994,检出限3.1×10^-8mol/L（S/N=3）。

Pt-CeO2/聚苯乙烯磺酸盐功能化碳纳米管复合物的制备及对甲醇的电催化氧化性能

通过阴离子聚合物聚苯乙烯磺酸钠(PSS)对碳纳米管(CNTs)进行非共价功能化修饰得到PSS功能化的碳纳米管(PSS-CNTs),利用带负电的PSS和Ce3+之间的静电作用将Ce3+组装到CNTs表面,再利用Ce3+与Pt Cl2-4之间存在的静电作用和氧化还原反应实现CeO_2和Pt纳米粒子在CNTs表面的原位沉积,得到复合催化剂Pt-CeO_2/PSS-CNTs.采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)及拉曼光谱仪(Raman)等对催化剂进行了表征.电化学性能测试结果表明,由于PSS-CNTs表面原位沉积的Pt纳米粒子相对于在原始CNTs上沉积的Pt纳米粒子具有更小的粒径、更好的分散均匀性和稳定性,同时Pt与CeO_2之间存在良好的协同效应,Pt-CeO_2/PSS-CNTs催化剂对甲醇电催化氧化具有较好的催化活性和化学稳定性,当nPt/nCe=2/3时催化性能最优.

基于聚酰胺-胺功能化碳纳米管负载钯纳米粒子的过氧化氢传感器

采用电化学法将钯纳米粒子(PdNPs)沉积在第四代聚酰胺-胺树状大分子(G4.0 PAMAM)功能化碳纳米管(MWCNTs)复合材料(G4.0-MWCNTs)修饰的玻碳电极表面,构建了一种新型过氧化氢(H_2O_2)传感器。采用场发射扫描电镜、循环伏安法和电化学阻抗谱对修饰电极进行表征,结果表明,大量高分散的PdNPs沉积在G4.0-MWCNTs修饰的电极上,修饰电极对H_2O_2还原具有优异的电催化性能。在优化条件下,H_2O_2浓度在1.0×10^(-9)~1.0×10^(-3)mol/L范围内与电流响应呈线性关系,检出限为3×10^(-10)mol/L(S/N=3),测定血清实样加标回收率在96.7%~103.1%之间。

酸功能化碳纳米管对多孔碳材料储能活性及稳定性的增强作用

采用球磨法将酸功能化碳纳米管(AMWCNTs)与环糊精均匀混合。酸功能化有利于增强碳管和环糊精间的相互作用,从而使二者形成均匀、有效的复合。在N2气保护下碳化并经后续的ZnCl2活化处理,最终获得酸功能化碳纳米管/多孔碳(PC)复合体材料。采用透射电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱等方法对材料结构进行了表征。结果表明,碳纳米管在多孔碳骨架内均匀分布,并且复合体同时具有较高的比表面积和良好的导电性。循环伏安及恒流充放电等电化学测试表明,由于二者的协同作用及碳纳米管在多孔碳骨架内均匀、有效的复合,材料具有较好的电化学储能性能和良好的电化学稳定性。电流密度为0.5 A/g时,AMWCNTs/PC-12-4(其中12代表β-环糊精和AMWCNTs的质量比,4代表酸化碳纳米管/β-环糊精碳与氯化锌的质量比)复合材料的质量比电容为156 F/g,远远高于AMWCNTs(43 F/g)和PC-4(87 F/g)。经5000次循环后,电极比电容无明显衰减,而且每次恒流充放电的库仑效率均大于99.9%,说明复合材料具有良好的稳定性,是非常有前景的超级电容器电极材料。

聚离子液体功能化碳纳米管负载铂钌合金对AD大鼠脑中谷氨酸的电化学检测

以聚离子液体功能化碳纳米管负载铂钌合金纳米材料为基底,构筑一种可用于对谷氨酸电化学测定的生物传感器。该传感器对谷氨酸具有良好的选择性和灵敏度,线性范围为1.0~550.0μmol/L,检出限为0.45μmol/L(信噪比≥3)。该传感器进一步应用于对阿尔滋海默大鼠脑中谷氨酸的含量测定。

功能化碳纳米管的制备及其强化Fe^(3+)/过硫酸氢盐体系水处理性能

Fe^(3+)是良好的过硫酸氢盐(PMS)催化剂,具有环境友好、来源广泛等优点,但是Fe^(3+)/PMS体系性能受限于Fe^(3+)/Fe^(2+)低的转化效率。将功能化碳纳米管(O-CNT)与Fe^(3+)结合共同催化活化PMS用于水处理。采用扫描电镜、X射线衍射、傅立叶红外、X射线光电子能谱及拉曼光谱等对O-CNT的形貌、组成及结构进行了系统表征。以苯酚(PE)为目标污染物,考察了Fe^(3+)/O-CNT体系活化PMS对难降解有机污染物的去除效果。结果表明,O-CNT和Fe^(3+)产生协同作用用于PMS活化去除PE,且O-CNT的石墨化程度影响催化体系的降解性能。该催化剂可以在宽pH范围(3~9)内保持高效。吸附在催化剂表面的羟基自由基是主要活性物种。

功能化掺杂对交联环氧树脂/碳纳米管复合材料热力学性能影响的分子动力学模拟

为探究不同功能化碳纳米管掺杂对环氧树脂/碳纳米管复合材料热力学性能的影响,基于分子动力学模拟方法,建立掺杂功能化碳纳米管(CNT)的环氧树脂(EP)基纳米复合材料:纯环氧树脂模型及分别掺杂未功能化、氨基功能化、羧基功能化和羟基功能化的七种EP/CNT模型(其中,功能化CNT分别接枝4或8个官能团)。基于上述模型,在LAMMPS下计算热扩散系数(热导率和比热容)、玻璃转化温度及力学性能。结果表明,掺杂碳纳米管的环氧树脂纳米复合材料的各性能都有不同程度的提升,掺杂接枝8个官能团碳纳米管的EP/CNT性能提升均明显高于掺杂接枝4个相对应官能团EP/CNT的性能。其中,EP/AFCNT8在热导率、热扩散系数及力学性能上提升最明显,整体热导率和热扩散系数分别提升了54.92%和67.30%;EP/HFCNT8具有最大玻璃转化温度,提升幅度为69.47K,EP/AFCNT8提升幅度仅次于EP/HFCNT8,为58.97K。在400K时,EP/CFCNT8具有体积模量和杨氏模量最明显的提升,分别为52.4%、35.5%;因为氨基与环氧基体的交联反应,EP/AFCNT8各模量整体上提升较为明显,可更好地保持良好的力学性能。

靶向性多肽修饰荧光功能化碳纳米管的制备及靶向肿瘤细胞的初步研究

以羟基化多壁碳纳米管(MWNT-OH)为引发剂,通过原位负离子开环聚合制备了生物相容性多羟基超支化聚缩水甘油接枝的碳纳米管(MWNT-HPG),利用酯化反应将荧光分子罗丹明6B标记于聚合物上,然后聚合物上的羟基和丁二酸酐反应将其转化为羧基.用TGA、FTIR、TEM、SEM等手段对产物进行了表征.用靶向表皮生长因子受体(EGFR)的小分子多肽D4修饰了所得的荧光功能化碳纳米管,并将其做为受体介导靶向肿瘤细胞的纳米载体,通过噻唑蓝(MTT)比色法评价功能化碳纳米管作为载体的安全性.用荧光显微镜观察其与人肺腺癌细胞SPCAI细胞的结合状态.结果证明了其有希望成为受体介导靶向肿瘤系统的纳米载体.

氧化石墨烯与功能化碳纳米管增强水泥基材料力学性能研究

水泥基材料在建筑领域应用广泛,但其存在抗弯强度低、抗裂性和韧性差等缺点。为了提高水泥基材料性能,分别采用球磨石墨粉和酸处理碳纳米管制备了氧化石墨烯(GO)和功能化碳纳米管(FCNT),并使用扫描电子显微镜(SEM)对其进行检测表征。研究不同GO和FCNT掺量的水泥基纳米复合材料的抗压强度、抗拉强度、微观结构和晶相组成。研究结果表明:与普通水泥砂浆相比,1.00%GO掺量对水泥砂浆抗压强度的贡献最大,抗压强度提高77.3%;0.25%GO掺量对水泥抗拉强度的贡献最大,其抗拉强度提高37.5%;相比之下,0.50%FCNT掺量使水泥砂浆抗压强度提高了58.2%,0.25%FCNT掺量使水泥砂浆抗拉强度提高了40%;通过GO-CNC和FCNT-CNC的微观结构和晶相组成研究验证了水泥砂浆的力学行为趋势。GO掺量对水泥基纳米复合材料的力学性能提升效用大于FCNT,GO可作为一种潜在经济高效的水泥基纳米增强材料。

基于功能化多壁碳纳米管的乙酰胆碱酯酶生物传感器制备

将功能化多壁碳纳米管(FCNTs)结合壳聚糖(CHIT)和戊二醛(GTA)导电聚合物形成凝胶溶胶,将该凝胶溶胶悬滴在玻碳电极(GCE)表面制得FCNTs-CHIT-GTA/GCE电极,结合自制的乙酰胆碱酶膜生成一种反应灵敏、快速、稳定、用于检测有机磷农药的电流型生物传感器。结果表明:该传感器具有出峰电位低、峰流值高、电子传递速率高、阻抗值小等优点,在研究不同浓度敌敌畏对酶抑制率的关系时,得到的关系曲线线性良好,最低检出限为20ng/L。该传感器适用于有机磷农药残留跟踪检测。

功能化多壁碳纳米管的光电性质

在酸处理后的多壁碳纳米管 (MWNT)的表面引入 3种基团 :羧基、羰基、羟基。研究了功能化后的MWNT的光电性质 ,MWNT的表面光电压谱 (SPS)在检测区域出现 2个响应带 ,分别在红外区 110 0nm和15 0 0nm。证明了功能化后的MWNT具有光电压活性 ,并有很好的光致电荷分离特性。同时将功能化的MWNT分别修饰在玻碳 (GC)、硼掺杂的金刚石薄膜 (BDD)电极上 ,进行循环伏安扫描 ,在玻碳电极上得到 1对氧化还原峰 ,峰电位分别为 0 0 84V、- 0 130V(vs .SCE)。在硼掺杂的金刚石薄膜电极上得到稳定的 2对氧化还原峰 ,峰电位分别为 0 0 18V、- 0 2 16V(vs.SCE)和 0 2 14V、0 142V(vs.SCE)。结果表明 ,功能化后的MWNT具有电化学活性。

碳纳米管的快速功能化及电催化

将耐尔兰(NileBlue,NB)分子修饰到碳纳米管(CNT)表面形成NB-CNT纳米复合体,谱学结果表明,NB不仅能快速、高效地修饰到CNT表面,而且还能有效地改善CNT在水溶液中的分散性能.将NB-CNT修饰到玻碳(GC)电极表面制备了NB-CNT/GC电极,循环伏安结果显示,其伏安曲线上不仅表现出一对良好的、几乎对称的NB单体的氧化还原峰,式量电位E0'几乎不随扫速而变化[其平均值为(-0.422±0.002)V(vs.SCE,0.1mol/LPBS,pH7.0)];而且还显示出NB聚合体分子的氧化还原峰,E0'为-0.191V(100mV/s时).进一步的实验结果表明,NB和CNT对NADH(即还原型β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,又称还原型辅酶I)的电化学氧化具有协同催化作用,能使其氧化过电位降低多于560mV;NB-CNT/GC电极还能较好地响应脱氢酶催化底物氧化过程中体系内NADH浓度的变化.本文对碳纳米管功能化方法具有简单快速、电极制作容易以及催化效率高等优点,NB-CNT/GC电极有望在制作脱氢酶传感器方面得到应用.

功能化多壁碳纳米管填充的凝胶电解质在染料敏化太阳能电池的应用

纯聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)基凝胶电解质常常受制于低离子电导率,阻碍了其在染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)中的应用。而利用纳米填充可提高凝胶电解质离子电导率及凝胶电解质DSSCs的性能。本文使用功能化的多壁碳纳米管(f-MWCNT)作为PVDF-HFP凝胶电解质的纳米填充物,通过改变f-MWCNT的质量分数来研究其对电解质的离子电导率和离子扩散的影响,进而研究其对DSSCs的转化效率和长期稳定性的增强作用。研究发现:质量分数0.5%的f-MWCNT明显提高了 PVDF-HFP 凝胶电解质的离子电导率和离子扩散系数。并且,该凝胶电解质基DSSCs的光转换效率可达5.28%,相比于未填充的PVDF-HFP凝胶电解质基DSSCs(4.01%),其效率提高了31.7%。 42 d后,该电池依然可以保持最初转化效率的86.5%。实验结果证实了f-MWCNT在纳米填充方面的巨大潜能,为采用纳米填充物提高凝胶电解质DSSCs的性能提供参考。

1,2-萘醌修饰的碳纳米管对β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸电化学氧化的催化作用

将具有电活性的1,2-萘醌(1,2-naphthoqu inone,Nq)分子修饰到碳纳米管(CNT)表面形成Nq-CNT纳米复合体,用紫外可见(UV-V is)和红外光谱等方法对Nq-CNT进行了表征,结果表明Nq不仅能快速、有效地修饰到CNT表面,而且还能有效地改善CNT在水溶液中的分散性能。循环伏安结果显示,与GC电极相比,CNT能显著提高Nq的氧化还原峰电流,其伏安曲线上表现出一对几乎对称的氧化还原峰,式量电位E0′几乎不随扫速而变化。进一步的实验结果表明,Nq和CNT对β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的电化学氧化具有协同催化作用,与CNT或Nq相比,Nq-CNT具有较高的电催化活性,能使其氧化过电位降低超过510 mV。本研究对碳纳米管功能化方法具有简单、电极制作容易以及催化效率高等优点。

基于单层二硫化钨-多壁碳纳米管电化学传感器的构建及其对猕猴桃中多菌灵的检测研究

以二硫化钨(WS2)和氨基功能化多壁碳纳米管(f MWCNTs)为原料,通过滴涂法制备二硫化钨-碳纳米管/玻碳电极(WS2-f MWCNTs/GCE)复合传感器,对猕猴桃中多菌灵(MBC)的超高灵敏检测。采用电化学循环伏安法(CV)对电极进行表征,并采用CV考察MBC在不同电极上的电化学氧化还原行为,建立差分脉冲法(DPV)传感检测MBC的新方法。实验结果表明多菌灵在1.0×10^(-7)~1.0×10^(-5)mol/L浓度呈现良好的线性关系,检测限为(LOD)为1.1×10^(-8)mol/L(S/N=3),定量限为3.7×10-8mol/L(S/N=10)。在对实际样品猕猴桃检测时,添加不同浓度多菌灵的加标回收率为89.0%~102%。此方法对实际样品猕猴桃中多菌灵检测具有良好的重现性和超高灵敏度。