金属对炭黑转化为洋葱状中空结构纳米碳的影响

研究了炭黑分别在Fe、Co、Ni三种金属化合物作用下的催化转化行为,以期使炭黑质点中不连续的无规则小石墨片层重新组装、构筑成洋葱状中空结构纳米碳.采用透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)和Raman光谱分析表征了炭黑及其催化炭化产物的微观形貌和结构.结果表明:尽管三种金属催化剂均可通过溶碳-析出机制形成过渡态碳包覆纳米金属颗粒,继而构筑成由准球形同心石墨壳层组合的洋葱状中空结构纳米碳,但三种金属催化剂显示不同的催化效果,终碳产物的形态和纯度差异较大,其中以Fe的催化效果最好.

静电纺中空结构碳纳米纤维制备与应用研究进展

中空结构碳纳米纤维(HCNFs)是多孔碳纳米纤维材料中的一种,展现出较高的比表面积、发达的孔隙结构以及更多的活性位点,在能源存储器件、过滤和吸附材料、催化剂载体等新兴领域应用广泛。本文综述了HCNFs研究开发的新进展,介绍了HCNFs单轴静电纺丝法和同轴静电纺丝法两种制备方法。主要介绍了HCNFs的复合与掺杂,改变或提高HCNFs的性能,进而扩展HCNFs应用领域。重点介绍了HCNFs在锂二次电池领域、催化领域、超级电容器领域以及吸附领域的应用现状,并对未来HCNFs的发展方向进行了展望,以期为HCNFs的研发提供参考。

纳米金刚石表面向洋葱碳转变的原位电镜研究

纳米金刚石向一种洋葱状石墨碳结构的转变对其性能改变显著,然而人们在研究这种始于表面的碳结构转变时却往往忽略了纳米金刚石表面不可避免会存在的非晶碳层的影响。本文借助原位环境球差电镜技术,利用电子束辐照和原位热氧化,获得了表面没有非晶碳层的纯净纳米金刚石颗粒,并证实了同样条件下表面含有非晶碳层的纳米金刚石更容易转变为洋葱碳,而表面结晶性好、不含非晶碳的纳米金刚石则更难转变为洋葱碳;此外,当电子束辐照耦合高温加热可以在更低的温度和更短的时间内将纳米金刚石全部转变为洋葱碳。本文的研究结果对抑制纳米金刚石表面石墨化转变提升其稳定性或促进纳米金刚石向洋葱碳转变并提升转变效率均具有一定的指导意义。

中空三维结构的硅碳负极的构筑及性能研究

硅碳材料作为高能量密度的锂电负极材料备受瞩目,但由于硅在充放电过程中巨大的体积膨胀效应,导致了其循环性能差,限制了其商业化应用。本工作利用薄层石墨柔性结构的特点,与纳米硅进行复合制备了中空结构的硅碳复合物,并通过对薄层石墨和纳米硅分别用含有羧基的羧甲基纤维素(CMC)和含有氨基的正硅酸乙酯(TEOS)进行表面修饰。相比于传统的机械混合工艺制备的硅碳负极材料存在纳米硅与碳材料复合不均一的问题,本工作修饰后的纳米硅与薄层石墨之间通过静电自组装作用,可形成更为均一的纳米硅与薄层石墨的复合物(S/MG)。通过造粒技术,构筑了由纳米硅/薄层石墨片层组成的中空结构的硅碳复合物颗粒,而颗粒外部由碳层进行包覆。通过SEM切片、EDS以及高分辨TEM等表征手段,可以看到颗粒内部由纳米硅与薄层石墨层结构构筑了微米尺寸的中空结构,该结构内部不但形成了导电的三维网络结构,而且为纳米硅的体积膨胀提供了充足的缓冲空间,从而大幅提升了硅碳负极材料循环稳定性。相比于传统石墨取代薄层石墨与纳米硅制备的硅碳复合物,薄层石墨制备的硅碳负极的比容量达到958 mAh/g,扣电在0.5 C下循环500次后容量保持率可维持在88%左右。本文作者也从实用角度评价了S/MG全电循环性能,与三元NCM811正极材料组装成的软包全电池,在1 C倍率充放电下,循环1000周后电池容量保持率可达86%,可为高能量密度锂电技术的研究提供实验依据。

SnO2/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能

以炭黑为原料,硝酸铁为催化剂前驱体,氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒(OC).用SnCl2/乙醇溶液浸渍,空气中350℃氧化得到SnO2/OC复合材料.进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO2电极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和热失重分析(TGA)对OC和SnO2/OC复合材料进行表征;利用恒电流充放电和循环伏安(CV)方法对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行表征.结果表明:酸处理后的复合材料的循环性能得到明显改善,50次循环后可逆容量保持为446mAh·g-1,OC起到了缓冲SnO2膨胀和阻止团聚的作用.

高压碳化法可控制备微纳米分级结构中空棒状碳酸钙及其表征

以氢氧化钙为钙源,D-葡萄糖酸钠为添加剂,在高压碳化釜中采用二氧化碳鼓泡碳化法制备出分散均匀,由立方状纳米粒子组装而成具有微纳米分级结构的中空棒状碳酸钙聚集体。探究了各因素对高压碳化法制备碳酸钙的影响,通过改变反应温度、D-葡萄糖酸钠的添加量、氢氧化钙的浓度等考察制备的最佳条件。采用SEM、TEM、XRD、FTIR和BET等测试手段对产品的结构和性能进行了表征。实验结果表明,所制备的微纳米分级结构中空棒状碳酸钙的平均直径约300nm,长度为1~2μm,壳壁由粒径为50~100nm的纳米立方状粒子聚集而成,壳层厚度约100nm。同时,在反应温度为120℃、氢氧化钙质量分数为2%、D-葡萄糖酸钠添加量为氢氧化钙质量的2%、反应时间为4h的条件下,所制备的中空棒状碳酸钙的分散性和均匀性最好。

氮掺杂空心碳纳米球嵌入氮掺杂石墨烯负载钯纳米粒子作为甲酸氧化的高效电催化剂

低成本、高活性、耐久性好的高效电催化剂对直接甲酸燃料电池的应用起着至关重要的作用。本文采用简单经济的方法,研究了以三维层状多孔结构嵌入氮掺杂石墨烯(NG)的氮掺杂空心碳纳米球(NHCN)负载Pd纳米粒子作为直接甲酸燃料电池催化剂。由于具有独特的氮原子掺杂三维互联层状多孔结构,Pd纳米颗粒尺寸较小的Pd/NHCN@NG催化剂具有较大的催化活性表面积、优越的电催化活性、较高的稳态电流密度和较强的抗CO中毒能力,明显超过传统的Pd/C、Pd/NG和Pd/NHCN催化剂对甲酸电氧化的催化性能。通过优化HCN/GO比,当HCN/GO质量比为1∶1时,Pd/NHCN@NG催化剂对甲酸的催化氧化性能最佳,其活性是Pd/C的4.21倍。本工作开发了一种优越的碳基电催化剂载体材料,为燃料电池的发展带来了广阔的应用前景。

碳纳米葱(OLC)与微米金刚石(MD)烧结制备纳米聚晶金刚石复合材料(nPCD)的表征分析

在4~6GPa/1000~1400℃/5~30min条件下,用微米金刚石(MD)和碳纳米葱(OLC)混合物作为原材料制备了纳米聚晶金刚石(nPCD)复合材料。采用XRD、FESEM、HRTEM、Archimedes原理和Vickers硬度计表征了nPCD复合材料的组成、形貌、微观结构、密度和硬度。研究了MD和烧结参数对nPCD复合材料的组成、微观结构、性能。结果表明,MD在nPCD复合材料中分布均匀。MD作为晶核促进OLC向金刚石的转换。烧结压力的增加提高了nPCD复合材料的密度和硬度。当烧结压力从4GPa提高到6GPa时,nPCD复合材料的密度从2.72g/cm^(3)增加到3.02g/cm^(3),硬度从41.85GPa增加到56GPa。提高烧结温度和延长保持时间使nPCD复合材料的密度和硬度先升高后降低。在nPCD复合材料中nPCD区域具有孪晶结构。孪晶结构的存在提高了nPCD复合材料的硬度。

氮掺杂洋葱状纳米碳球的制备与表征

以碳化钙和谷氨酸为原料,通过反应釜一步法在300℃下制备氮掺杂洋葱状纳米碳球,并改变反应物量来调控碳球的尺寸和结晶度。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、比表面积测试仪、X射线光电子能谱仪和元素分析仪对所得产物进行表征。结果表明,采用反应釜法能够成功掺杂氮原子进入碳原子晶格中。改变反应物摩尔量能够得到不同形貌的碳球,当碳化钙与谷氨酸的反应物摩尔比为3∶1时,得到尺寸为30~50 nm的洋葱状碳球;增加谷氨酸的摩尔量易于得到直径为60~100 nm的实心无定形纳米碳球;而增加碳化钙的摩尔量,同样得到洋葱状碳球,但结晶程度提升。反应过程中,谷氨酸不仅能够作为反应的引发剂,还能作为氮源和碳源,其热解形成的五元环化合物在碳球形成的过程中起到重要作用,为弯曲石墨片层的形成提供曲率,有利于洋葱状结构的形成。

真空热处理条件下纳米洋葱状富勒烯的结构

纳米洋葱状富勒烯(Nano Onion-like Fullerenes,NOLFs)作为富勒烯家族的一个新成员自1992年被发现以来由于其独特的中空笼状结构和潜在的应用前景引起研究者广泛的关注.

洋葱状碳纳米颗粒转化为碳纳米管的研究

以热固性酚醛树脂为碳源,以硝酸铁为催化剂前驱体制备洋葱状碳纳米颗粒。采用酸化方法使洋葱状纳米颗粒变成不稳定的球冠状态,在高温下使球冠进行重新组装,转化为形状不规则的碳纳米管,实现了材料转化。并详细分析了洋葱状碳纳米颗粒形成与转化为碳纳米管的机理。

洋葱状纳米碳烟颗粒在基础油中的摩擦学性能

在SRV IV摩擦磨损试验机上,采用球-盘接触方式考察了不同载荷下碳烟颗粒在150SN基础油中的摩擦学性能。借助三维表面形貌仪、扫描电子显微镜、能谱仪、X射线光电子能谱仪及拉曼光谱探讨了载荷诱导的碳烟颗粒的减摩作用机理。结果表明,载荷对碳烟颗粒在150SN基础油中摩擦学特性有较大影响。低载荷时,碳烟颗粒可以改善基础油的抗磨性能;高载荷时,碳烟能够改善基础油的减摩性。载荷诱导的碳烟颗粒的减摩机理与其洋葱状的纳米结构有关,高载荷下碳烟颗粒外层的石墨微晶被剥离,在摩擦副表面形成了减摩层,使摩擦系数下降。

中空碳纳米洋葱的制备

碳纳米洋葱是一种零维碳纳米材料,由于其优异的理化性能,使其在能源、催化等众多领域有着广泛的应用。在某些应用领域,中空结构的碳纳米洋葱比其它结构的碳纳米洋葱的性能更加优异。目前,中空结构的碳纳米洋葱的规模化制备仍然是一个难题。本文总结了目前制备中空结构碳纳米洋葱的方法,包括电弧放电、化学气相沉积、热解法等等。此外,对每种制备方法的优缺点进行评述并对未来的制备方法做出展望。

纳米碳纤维微观结构的高分辨电镜研究

从纳米碳纤维中切取横切面薄膜，用高分辨电镜研究纤维的微观结构．结果说明：材 料的试样中纤维是实心的，而不是管状的；判断纳米碳纤维是管状的还是实心棒状，应该在高 分辨电境下从横切面研究纳米碳纤维的微观结构；同一试样中纳米碳纤维的直径可能不同．

纳米晶铜中离子注入碳后的组织结构研究

对纯铜进行表面机械研磨处理(SMAT),获得纳米晶表层,且晶粒尺寸沿深度方向逐渐增大。采用离子注入技术在纳米晶纯铜中注入碳,利用透射电子显微镜(TEM)与高分辨电子显微镜(HRTEM)进行原位动态观察。结果表明,碳在基体的表面析出,形成无定形碳膜,在电子束的照射下形成洋葱状富勒烯。同时讨论了离子注入、电子束照射、纳米晶结构及碳原子与铜原子的相互作用对碳洋葱状富勒烯形成的影响。

C和金属(Mo,Ti)离子双注入H13钢抗腐蚀纳米丝状结构的形成

用多次扫描电位法研究了金属Mo和Ti与C离子双注入和 2种元素注入的顺序对抗腐蚀特性的影响 ,研究了抗腐蚀纳米相生成的条件 ,首次观察到细丝状纳米碳化物镶嵌相的形成 ,以及这些相对抗腐蚀特性的作用 ,并对其改性机理进行了讨论 .扫描电子显微镜观察表明 ,抗腐蚀的细丝状纳米碳化物镶嵌相与双注入的注入次序有密切的关系 ,这种相仅出现在碳为最后的双注入中 .特别可贵的是这种细丝状纳米碳化物镶嵌相也能有效地提高抗点蚀特性 .

碳包覆纳米SnO_2中空纤维的制备及电容性能

采用同轴静电纺丝法制备了碳包覆纳米SnO2中空纤维超级电容器电极材料.利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和比表面积分析仪(BET)对材料进行表征.结果表明,纤维呈现中空形貌,平均直径为1μm;SnO2颗粒均匀分布于碳壳结构中,平均粒径为3–15 nm.材料的比表面积为565 m2 g–1.在三电极体系中,当电流密度为0.25 A g–1时,电极材料的比容量达397.5 F g–1;在1.0A g–1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的88%.在对称型双电极体系中,电流密度为0.25 A g–1时,电极材料的比容量达162.0 F g–1,在1.0 A g–1电流密度下,充放电循环3000次后比容量仍保持为初始值的84%.

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%。

纳米碳洋葱的研究进展

纳米碳洋葱是一种以C60为核心的同心多层球面套叠结构的碳分子。从结构形貌、制备方法等角度讨论纳米碳洋葱和纳米石墨微粒的区别。着重对纳米碳洋葱的形成进行分析和比较,认为纳米石墨微粒可能是先形成一定数量的壳层然后分别沿壳层向外和向内推进长大,石墨化程度具有方向性;而纳米碳洋葱是先形成C60,然后以螺旋机制生长。最后从能量角度讨论纳米碳洋葱的稳定性,并对其修饰改性、化合物嵌插以及性能方面的研究进行评述。