原料以及制备条件对水性中间相产率和性能的影响

以煤沥青和石油生焦为原料 ,以浓硝酸和浓硫酸混合物为氧化剂 ,对炭质原料性能与水性中间相的产率之间的关系以及工艺条件对水性中间相产率的影响进行了研究。利用 FT- IR光谱对不同工艺下制得的水性中间相进行了表征。结果表明原料和工艺条件对水性中间相的性能有较大影响。

混酸系(H_2SO_4/HNO_3)制备水性中间相

以石油生焦为原料，通过混酸氧化制备水性中间相，并研究了混酸的用量、氧化温度、氧化时间对水性中间相收率的影响。结果表明：混酸用量为 100 cm3，氧化温度为 80℃，氧化时间为 3 h时所得水性中间相收率较大，达到 130％。

水性中间相沥青的制备研究

以煤焦油沥青为原料 ,以浓硫酸和浓硝酸为氧化剂 ,可得到易溶于碱性水溶液的水性中间相沥青。详细考察了沥青氧化条件对水性中间相沥青收率的影响 ,以及水性中间相沥青的元素和官能团组成。结果发现 ,反应温度、浓硫酸和浓硝酸的比例对水性中间相沥青收率影响存在一优化值 ,而反应时间、浓硫酸和浓硝酸的用量对水性中间相沥青收率先是线性的 ,当达到一定值后水性中间相沥青的收率基本恒定。水性中间相沥青的组成是复杂的 ,根据其中化合物含氧官能团的数量和性质 ,它们可分别在不同pH值条件下制备而得。

水性中间相制备的初步研究

通过生焦与硫酸和硝酸混酸的氧化作用，对水性中间相的制备进行了研究，利用付立叶红外光谱，X－射线衍射及扫描电子显微镜（SEM）对热处理后的水性中间相进行了表征。

水性中间相制备研究(Ⅱ)──混酸(HNO_3/H_2SO_4)氧化过程动力学研究

采用混酸（ＨＮＯ３／Ｈ２ＳＯ４）氧化石油生焦，制备水性中间相；重点考察温度对氧化速度的影响。利用付立叶红外光谱对石油生焦、水性中间相和残渣进行了表征；结果表明：扩散是石油生焦氧化的速率控制步骤，其表现活化能为３．９ｋＪ·ｍｏｌ－１。

水性中间相沥青溶液的可纺性研究

以生焦为原料,通过混酸氧化制备得到水性中间相沥青（AMP）。对AMP的产率和温度之间的关系进行了研究,并由AMP制备得到纺丝溶液,用硫酸做凝固浴进行纺丝。利用热重、红外和流变等测试方法对不同温度下得到的AMP碳收率及其可纺性进行研究,结果表明：AMP在60℃氧化温度下最高产率达140%左右;当m（PAN）/m（AMP）为10%时,溶解于DMSO的纺丝液能够连续纺丝数千米。

改进水性中间相沥青的制备

以针状焦为原料,通过低温—高温分步混酸氧化法改进制备水性中间相沥青(AMP),对AMP的产率和氧化条件之间的关系进行了研究。利用热重分析仪、红外光谱仪、动态光散射粒度仪和透射电镜等对不同氧化条件下得到的AMP碳收率、粒度及其微晶结构进行研究。结果表明:改进法制备的AMP最高产率达150%左右,通过引入低温插层效应能够将AMP的溶胶粒径尺寸减小至3.1 nm。

溶胶共混纺丝制备水性中间相沥青基碳纤维

以针状焦(GNC)为原料,采用混酸一步氧化法制备水性中间相沥青(AMP)、混酸两步氧化法制备改进水性中间相沥青(FHAMP),分别与聚丙烯腈(PAN)共混溶解于二甲基亚砜(DMSO)形成溶胶,然后以稀硫酸为凝固剂,经溶胶纺丝、直接炭化制得水性中间相沥青基碳纤维;研究了AMP和FHAMP的溶解性、流变性、可纺性,以及相应的碳纤维的结构与性能。结果表明:相比AMP,FHAMP的粒径显著减小,氧化程度更高,能更好地溶解于DMSO;引入PAN,可有效提高AMP和FHAMP溶胶的可纺性;在纺丝温度50℃时,PAN质量分数为10%的AMP溶胶及PAN质量分数为8%的FHAMP溶胶均有较好的可纺性,连续收丝长度超过1000 m,FHAMP溶胶的纺丝稳定性更好;相比由AMP得到的碳纤维,由FHAMP得到的碳纤维截面结构较为致密,纤维直径减小至23.09μm,杨氏模量和拉伸强度分别提高至33 GPa和0.29 GPa。

Fe/C复合纳米材料的制备研究

以强酸为絮凝剂 ,将碱性溶液中的水性中间相沥青絮凝 ,从而使水性中间相沥青在酸性介质中形成炭基溶胶和凝胶。将此炭基溶胶和硝酸铁溶液混合形成复合溶胶、凝胶 ,进而采用醇水交换和超临界干燥制备出粒度为 5nm～ 2 0nm的Fe C复合纳米材料。考察了硝酸铁和水性中间相沥青的比例 ,以及热处理条件对Fe C复合纳米材料织构和结构的影响。利用透射电镜、物理吸附、ICP AES、X 射线衍射、热重等表征手段对Fe C复合纳米材料特性和热处理的变化规律进行了研究。结果表明 :通过改变炭基溶胶中硝酸铁的加入量可以制备不同铁含量的Fe C复合纳米材料 ;在惰性气氛下 ,于较低温度热处理时 ,Fe C复合纳米粉中铁是以Fe2 O3的形式存在 ,热处理温度升高 (90 0℃ )后Fe2 O3被还原为单质铁 ,且金属颗粒团聚长大 ,在高温 (130 0℃ )时 ,铁以Fe3C的形式存在 ,颗粒进一步长大且有部分炭石墨化。在还原性气氛下 ,在 30 0℃～ 5 0 0℃热处理范围内 。

沥青基纳米球状炭的制备与表征

以中温煤沥青为原料,硝硫混酸为氧化剂,首先制备出水性中间相沥青AMP,然后在硅油与AMP形成的油包水乳液中,采用炭基溶胶-凝胶法制备沥青基纳米球状炭。利用FT-IR、TG、TEM和XRD等分析方法,对AMP、炭原粉及沥青基球状炭进行表征。结果表明:在制备AMP的过程中主要发生硝化、氧化和磺化反应,炭化制备纳米球状炭过程中硝基、羟基、羧基、磺酸基等官能团分解脱除;炭原粉的热解过程主要包含3个阶段,即脱水、脱除官能团和炭骨架的重排;所得沥青基纳米球状炭的球形度为95.9%,粒径集中在50 nm左右;球状炭的d002=0.348 0 nm,球体为乱层石墨结构。

常温干燥法制备纳米炭粉

以煤焦油沥青为原料,浓硫酸和浓硝酸为氧化剂,利用溶胶-凝胶方法制备水性中间相沥青.将水性中间相沥青溶解于氨水中得到水相炭基凝胶,经过乙醇与水交换后进行常温干燥和热处理制备纳米炭粉.利用FT-IR光谱、TG、XRD和TEM等分析手段对水性中间相沥青、纳米炭原粉以及纳米炭粉进行了表征.结果表明:采用常温干燥方法制备纳米炭粉是可行的,制得的纳米炭粉粒度均匀、规则,形状近似于球形,平均粒径为20 nm左右,其炭结构为无序的乱层石墨结构.在沥青与混酸氧化过程中,主要发生硝化、氧化、磺化反应;纳米炭原粉的热解过程分为脱醇脱水、预热解、强烈热分解和结构重排等四个阶段.

Fe/C复合纳米炭粉的制备及其磁学性能研究

以高温煤焦油沥青为原料,以体积比7∶3的浓硫酸和浓硝酸混合酸为氧化剂,制备水性中间相沥青;采用溶胶-凝胶法先形成碳基溶胶,加入FeCl3后进一步形成复合Fe/C凝胶;凝胶经醇水交换、常温干燥和900℃炭化制备出Fe/C复合磁性纳米炭粉。利用FT-IR、XRD、TG和TEM等对水性中间相沥青、磁性纳米炭原粉以及磁性纳米炭粉进行表征。结果表明:采用溶胶-凝胶和常温干燥的方法可以制备出粒度均匀、形状近似于椭圆形的Fe/C复合磁性纳米炭;其磁性纳米炭粉的平均粒径约5 nm,以聚集成粒度为20 nm～30 nm的团聚体形式存在。磁性纳米炭粉中的碳以无定型结构的形式存在,Fe元素以α-Fe、Fe2O3和Fe3C的形式存在,Fe/C复合磁性纳米炭粉具有软磁性和较高的磁响应性。

由沥青制备炭基凝胶的研究

以煤焦油沥青为原料 ,经过氧化、碱溶制备出水性中间相沥青 ,着重考察了制备条件对水性中间相沥青在水相中凝胶化的影响。结果表明 :氧化温度、浓度和溶胶的pH值对水性中间相沥青的凝胶化有影响 ;水性中间相沥青 (AMP)可以在较宽的pH值范围内形成凝胶。在碱性条件下 ,氧化温度降低、pH值升高和AMP浓度提高均可缩短炭基凝胶的凝胶时间 ;以强酸为絮凝剂在酸性条件下水性中间相沥青絮凝为炭基凝胶 ;在中性条件下 。

炭载型TiO_2光催化剂前躯体的制备及表征

以TiCl4和水性中间相为主要原料,采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术制备炭载型TiO2光催化剂,用XRD,TEM,FT IR对试样进行表征,重点考察炭载型TiO2光催化剂的内部结构和外部形貌特征。结果显示:炭载体为含有许多特征官能团的无定形炭,尺寸范围小于1μm;主催化剂TiO2呈四方晶系锐钛矿型,粒度小于10nm;TiO2均匀弥散在炭载体表面。

溶胶-凝胶法介孔沥青炭微球的制备及电化学性能研究

以水性中间相沥青（AMP）为前驱体,阳离子表面活性剂（CTAB）为结构导向剂,通过控制AMP的凝胶化和自组装过程,采用溶胶-凝胶法来制备介孔沥青炭微球。利用SEM、HRTEM、SAXRD、FT-IR等分析手段,对产物的形貌及结构进行表征,并研究了介孔沥青炭微球的形成机理和电化学性能。结果表明：在制备介孔沥青炭微球的过程中,CTAB与离子化的AMP可通过S＋I-静电力作用形成凝胶球,经炭化后得到介孔沥青炭微球。当CTAB/AMP=1.2时（CTAB为2 g）,炭化后得到的介孔炭微球之间界面明显,表面光滑,球体粒径为300~500 nm,当增加CTAB胶束在溶液中的浓度时,炭化产物中得到纳米炭棒。所得介孔沥青炭微球C-AMP1.2-800有序度差、石墨化度低,球体为乱层石墨结构,其在50 mV.s-1下的比电容为103.5 F/g。