微纳米多孔炭材料及其军事应用

微纳米多孔炭材料具有特定微观孔结构形式和表面化学性质,在军事领域有着其他材料难以替代的特殊用途。总结了活性炭、炭气凝胶、炭泡沫3类典型微纳米多孔炭材料的制备工艺、结构和性能特点,概述了活性炭作为吸附材料、炭气凝胶作为高温防护材料、炭泡沫作为热管理和多功能结构材料的研究与军事应用现状,对碳基微纳米孔材料的未来发展及军事应用进行了展望。

MOF材料自模板炭化制备纳米多孔炭的研究进展

纳米多孔炭材料具有高的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性等优点,广泛应用于气体吸附、催化和电化学等领域。尽管目前已做了大量的工作,但是以自模板策略制备纳米多孔炭材料仍存在挑战。结构多样可裁的金属有机骨架(MOF)材料具有规则可调的孔径、高的孔隙率和比表面积等优点,已被证明是制备功能化纳米多孔炭材料的理想前驱体。本文综述了近年来MOF自模板炭化制备纳米多孔炭材料的研究进展,重点介绍以炭化不同的MOF-客体类型为途径获得的多孔炭材料。这将有助于进一步定向开发功能化的新型炭材料,以优化其在更广泛应用领域的性能。

微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。

电纺丝制备掺氮多孔炭纳米纤维布用作锂离子电池负极材料

选取聚丙烯腈和三聚氰胺为碳前驱体和氮前驱体,通过电纺丝和后续的炭化和水蒸气活化过程,制备了一种具有自支撑结构,无需任何导电剂和粘结剂,直接用作电极的用于锂离子电池负极的掺氮多孔炭纳米纤维布。结果表明,此多孔炭纳米纤维布具有无纺交联的纳米纤维形态、独特的微孔结构、较高的比容量(856 m Ah·g-1)和较好的功率性能,是一种非常有使用前景的锂离子电池负极材料。

织构可控多孔炭纳米纤维的制备及其室温脱除低浓度氮氧化物（英文）

采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纤维,经预氧化、炭化和活化,得到具有孔径发达和比表面积大的多孔炭纳米纤维。控制纺丝液的浓度和活化条件,可制得织构可控的多孔炭纳米纤维。将所制备的纤维用于室温低浓度NO(20 ppm)的脱除,脱除效果主要基于吸附和催化氧化作用。纤维的织构影响其脱除NO的性能,直径越小、微孔越丰富、比表面积越大,对NO的吸附与催化氧化效果越好。当NO进口浓度为20 ppm时,在900℃下活化的平均直径为175 nm的多孔炭纳米纤维脱除NO率可高达29.7%。

多孔炭纳米球水相吸附四溴双酚A的性能

以葡萄糖为原料,采用水热法制备了多孔炭纳米球(PCNs)。以该多孔炭纳米球为吸附剂,研究其对水中四溴双酚A(TBBPA)的吸附性能。通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和热重分析仪考察了PCNs的结构及形貌特征。水分散性实验表明,PCNs能在水中均匀分散,且经12h静置后可以自然沉降,有利于吸附后从溶液中分离。考察了吸附时间、温度、TBBPA浓度、溶液pH值以及盐度对吸附的影响。结果表明,PCNs对TBBPA具有良好的吸附能力,吸附量达到10.91mg/g;吸附动力学过程可以用准二级速率方程描述,吸附等温线可用Langmuir方程拟合。溶液pH和盐度对吸附均有影响,中性环境有利于吸附的进行,PCNs是一种潜在的水处理材料。

用于焦化废水脱除苯酚的亲水性多孔炭纳米球基表面分子印迹聚合物的制备

以多孔炭纳米球(PCMSs)作为载体,采用双功能单体制备了一种亲水性表面分子印迹材料(AMPS-Am/MIP),提高在焦化废水中选择性吸附苯酚的能力。对AMPS-Am/MIP的表面形貌、结构、热稳定性和亲水性能进行了考察,并详细研究了其吸附动力学、吸附等温线、吸附选择性和吸附再生性等吸附性能。结果显示,制备的AMPS-Am/MIP在180 min达到吸附平衡,此时对苯酚的吸附量为47.59 mg g-1;相对选择因子可达1.67,在5次吸附-再生循环后吸附量仍保持在80%以上,表明AMPS-Am/MIP具有良好的吸附性能。当p H值在8左右(接近焦化废水p H值)时,吸附容量维持在46.84 mg g-1,表明AM PS-Am/M IP在焦化废水处理中的适用性和高效性。

高性能超级电容器用N/S共掺杂多孔炭纳米片电极材料

如何采用无酸工艺合成高性能超级电容器(SCs)用多孔炭纳米片电极材料是一个大的挑战。本文报道了一种简便且无酸的由煤焦油沥青(CTP)构建N/S共掺杂相互连接的多孔炭纳米片(NS-IPCNs)的新方法。制备的NS-IPCN_(800)具有相互连接的三维结构,这些三维结构由含有大量分级孔的二维炭纳米片组成。其中,丰富的微孔增加了离子吸附所需的活性位点,而短的中孔为离子传输提供了通道。此外,相互连接的三维结构为电子的快速传递提供了通道;掺杂的杂原子为NS-IPCNs电极提供了额外的赝电容。受益于这些优点,NS-IPCN_(800)电极在6 mol L^(−1) KOH电解液中,在0.05 A g^(−1)电流密度下的比电容达302 F g^(−1)。另外,NS-IPCN_(800)电容器在功率密度为25.98 W kg^(−1)下其能量密度达9.71 Wh kg^(−1)。更重要的是,NS-IPCN_(800)电容器在10000次循环充放电后电容保持率为94.2%,表现出优异的循环稳定性。这项工作为由CTP构建高性能储能装置用NS-IPCNs开辟了一种危害较小的策略。

炭纳米纤维在接近室温下对低浓度NO的催化氧化

采用聚丙烯腈(PAN)作为静电纺丝前驱体,通过静电纺丝法制备了炭纳米纤维,经预氧化和炭化处理,得到了孔隙率高、比表面积大的PAN基炭纳米纤维(PCNFs)。通过控制前驱体溶液的浓度,可以得到不同直径的PCNFs。制备的样品在室温(20℃)下能去除低浓度的NO(5×10^(−5))。结果表明,炭纳米纤维的微观结构可以影响其对NO的催化性能。CNFs直径越小,微孔越发达,比表面积越大,吸附和催化氧化效果越好。

聚硅氧烷制备高比表面积微介孔炭材料(英文)

通过对聚甲基(苯基)硅树脂(SR249)在1250～1350℃、真空气氛下裂解以及氢氟酸酸洗处理制备得到具有高比表面积的纳米多孔炭材料。采用X-ray衍射光谱、拉曼光谱、元素分析、透射电镜及氮气吸附法对不同温度所制样品进行元素组成及结构研究。裂解产物中的SiO2相作为一种天然模板经腐蚀处理除去。裂解温度和酸洗处理对多孔炭材料的成分和结构变化影响较大。HF酸处理前,裂解产物的比表面积小于55m2/g;而酸洗后产物比表面积和总孔容量显著增加,而最高值是裂解温度为1300℃时获得,分别为1148m2/g、0.608 cm3/g。经酸洗处理得到的多孔炭,孔径分布均相对较窄,在1～4 nm。透射电镜结果显示炭材料中的自由碳相和少量的SiC纳米晶及SiOC陶瓷彼此相互包裹。

静电纺丝法制备载钯多孔炭纳米纤维及其电化学性能研究

采用同轴静电纺丝法和后续热处理工艺,制备了具有多孔结构的载钯炭纳米纤维,将其作为质子交换膜燃料电池阴极催化剂,使用SEM、TEM、Raman、XPS等对其微观结构进行了表征,并进一步测试了其电化学性能。结果表明,所制备的载钯多孔炭纳米纤维催化剂具有比商业钯炭更优的电化学活性,电化学表面积达到商业钯炭的1.6倍,质量比活性和面积比活性分别达到商业钯炭的2.75倍和1.7倍,且氧还原过程遵循四电子过程,这主要得益于炭纳米纤维的多孔隙结构和氮掺杂。因此,本文提供了一种简单高效、无需造孔剂制备多孔炭纳米纤维的新方法。

金属有机骨架衍生氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究

金属有机框架材料(MOFs)因其高比表面积、高孔容以及结构可调控等特性,可用作自牺牲模板或者前驱体合成纳米多孔炭材料。本文选择以沸石咪唑酯基骨架材料8(ZIF-8)为前驱体,并结合KOH活化法,系统研究了活化剂用量对材料孔结构、比表面积以及电化学性能的影响。所得氮掺杂纳米多孔炭(ZDPC)材料具有超高的比表面积和丰富的介孔结构。以其为电极材料,在2 M KOH中构建了对称超级电容器,在50 W kg^(-1)功率输出时,可以提供6.4 W h kg^(-1)的最大能量密度。当最大功率输出为10 k W kg^(-1),器件依然具有5.3 W h kg^(-1)的能量密度,以及良好的倍率性能。在2 A g^(-1)电流密度下循环1万次,未出现容量衰减。