镁基合金与碳纳米纤维复合储氢材料的制备与性能研究(Ⅰ)——以化学镀Ni碳纳米纤维为前驱物热扩散法合成Mg_2Ni-CNFs复合储氢材料

利用金属Mg易热扩散制合金的特性,以化学镀Ni的碳纳米纤维(Ni-CNFs)为前驱物,制备出了Mg-Ni合金与CNFs的复合储氢材料.并测试了其电化学性能,提出了镁基储氢合金与CNFs复合储氢材料的储氢机理.

CVD参数对镀镍碳纤维原位生长CNFs形貌的影响及生长机理分析

碳纤维具有低密度、高模量及高力学强度等优势,是常见的复合材料增强体。通过表面改性的方式,实现碳纤维表面纳米碳材料的有效复合,可获得更优的材料性能。而目前常见的制备方法,可能存在催化剂引入过程损伤纤维、反应时间长等缺点。因此,探索工业化大规模负载纳米尺度碳材料的制备工艺十分必要。采用商用镀镍碳纤维为原料,通过调节化学气相沉积法(CVD)参数,实现不同形貌碳纳米纤维(CNFs)在镀镍碳纤维表面的有效负载,通过SEM、EDS和TEM等表征方式,结合扩散理论和V-S-L模型,分析催化剂厚度对催化剂形态的影响及CVD参数对各形貌产物的影响机理。结果表明,当催化剂层较厚时,催化剂以连续的片状形态存在,主要控制因素为热失配而非表面张力。H_(2)比例较高时,反应以扩散为主导,形貌趋向于催化剂位于中间的粗大CNFs阵列;H2比例较低时,反应以催化为主导,形貌趋向于具有夹层的CNFs团簇。

导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。

细菌纤维素基CNFs/ZnO吸波材料的制备及性能

随着电子信息技术的不断发展,电磁污染问题日益严重,高效吸波材料的研究受到越来越多的关注。该文以生物多孔材料细菌纤维素为碳源,采用碳化改性和水热法两步制备了细菌纤维素基CNFs/ZnO复合材料,研究了二水合醋酸锌的浓度对CNFs/ZnO复合材料吸波性能的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、冷场发射扫描电子显微镜(FESEM)、矢量网络分析仪(VNA)对复合材料的结构、形貌和吸波性能进行表征。结果表明:CNFs/ZnO复合材料被成功制备,其中碳纳米纤维(CNFs)没有明显的衍射峰,呈无定形状态;碳化和改性CNFs均保持了细菌纤维素三维网络多孔架构的精细纳米纤维微观形貌,但是CNFs变得卷曲且直径明显减小;CNFs/ZnO复合材料中,ZnO被紧密吸引在CNFs表面或随机插入CNFs的空隙中。通过改变二水合醋酸锌的浓度可以控制ZnO在复合材料中的含量,进而调控复合材料的电磁参数,获得良好的阻抗匹配。当二水合醋酸锌的浓度为0.25 mol/L时,ZnO在CNFs上分散得最为均匀,此时CNFs和ZnO的电阻损耗、介电损耗和界面极化等协同作用于三维多孔网络结构上,增加了复合材料对电磁波的多次反射、散射和长程耗散作用。该条件下制备的CNFs/ZnO复合材料,在涂层厚度为2.8 mm、频率为15.1 GHz附近时,其最佳反射损耗为−57.5 dB,有效吸收带宽为7.1 GHz,是一种可靠的复合吸波材料。

碳纳米纤维混凝土抗盐-冻性能研究

为研究碳纳米纤维混凝土在盐-冻融循环作用下的抗冻性能变化规律,以3.5%NaCl溶液作为冻融循环介质,对4种不同碳纳米纤维(CNFs)质量掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%)的混凝土试件进行快速冻融循环试验,通过扫描电镜、X射线衍射和氮气吸附等微观测试手段分析纤维改性机理,并建立冻融损伤模型以评价盐-冻融循环条件下碳纳米纤维混凝土的损伤演化规律。结果表明,CNFs可提高混凝土抗盐-冻性能,改善效果与碳纳米纤维掺量呈正相关,质量掺量为0.3%时抗冻等级及耐久性指数较基准组提高100%。CNFs通过桥接裂缝、控制纳米级裂纹、成核、改善孔结构提高混凝土密实度,进而改善混凝土的抗盐-冻性能。基于不同评价指标建立的冻融损伤模型符合威布尔分布且R2均大于0.9,可用于评价和预测盐-冻融循环条件下碳纳米纤维混凝土损伤情况。

水灰比、砂率及纳米碳纤维对混凝土微波加热性能的影响

通过调整水灰比和砂率,研究了混凝土基本参数对其微波加热性能的影响,并对比分析了水灰比和砂率对混凝土力学性能及微波加热性能的影响程度。为提高混凝土的微波加热性能,以纳米碳纤维为吸波剂,研究了其对混凝土升温速率、温度分布、除冰效率等的影响。并通过介电常数试验和电阻率试验,分析了纳米碳纤维的影响机理。结果表明:随着水灰比和砂率的增大,混凝土的微波加热性能不断增强。与水灰比相比,砂率的改变对混凝土微波加热性能的影响程度更大。改变砂率对于混凝土微波加热性能的影响比对力学性能的影响更为显著。纳米碳纤维通过增大混凝土的介电常数、降低混凝土的电阻率,从而增强混凝土的介电损耗能力和电阻损耗能力,进而提高混凝土的微波加热性能。纳米碳纤掺量越大,混凝土的微波加热性能越佳。

基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用研究进展

碳点是一种新型的零维荧光纳米材料,具有优异的光学性能、高热稳定性和化学稳定性,是近几年的一个研究热点。从天然生物质中提取的纳米纤维素,具有比表面积大、环境友好和可生物降解等特点。以纳米纤维素为载体掺杂碳点制备的复合材料兼具优异的荧光性能和机械性能,具有重要的应用价值。本文综述了基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用,简要介绍了碳点的性质和制备,论述了纳米纤维素基荧光碳点水凝胶、薄膜以及气凝胶和油墨等复合材料的制备方法及相关应用,并对纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的发展进行展望。

静电纺丝法制备SnSbCuFeZn高熵合金/碳纳米纤维复合负极材料

采用静电纺丝技术,结合煅烧工艺,将SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒均匀地锚定在导电互联的碳纳米纤维中,成功制备了SnSbCuFeZn@CNFs锂离子电池复合负极材料。结果表明,煅烧温度对材料的物相组成和形貌特征有重要影响,且直接影响SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒的晶相、尺寸和分布,决定SnSbCuFeZn@CNFs电极的电化学性能。其中SnSbCuFeZn@CNFs-900电极展现出优良综合性能:0.1 A/g时,初始放电比容量达1232.8 mA/g,循环200次后可逆放电比容量保持在786.0 mA/g;1.0 A/g时,循环500次后放电比容量仍有433.8 mA/g;2.0 mV/s扫描速度下,赝电容贡献率高达93.37%。

基于纳米金修饰碳纤维微电极的电化学法测定黄芩素

利用柠檬酸三钠还原氯金酸的方法制得小粒径的纳米金颗粒(AuNPs),采用电化学沉积法将其修饰在碳纤维电极(CFME)表面,基于电化学法构建了一种灵敏度高、抗干扰性良好的测定黄芩素的微型电化学传感器.采用透射电镜、紫外分光光度法、扫描电镜等对电极及修饰材料进行表征,运用差分脉冲法、循环伏安法、电化学阻抗谱法考查了黄芩素在电极修饰前后的电化学性质,并优化了扫速、缓冲液pH、电沉积时间等实验条件.实验结果表明,AuNPs对黄芩素具有显著的电催化性能,AuNPs/CFME对黄芩素表现出良好的电化学响应,最佳修饰时间为10 min.黄芩素浓度在0.05~10μmol/L时,其氧化峰电流与浓度呈良好的线性关系,线性方程为I_(p)(nA)=0.4409C(μmol/L)+0.7066,R^(2)=0.998.该方法响应速度快、稳定性较好,可用于黄芩素的定量检测.

二氧化钛/多孔碳纳米纤维复合材料的制备及其光催化性能

为实现纳米二氧化钛(TiO_(2))的回收和重复使用,采用静电纺丝、高温煅烧和酸溶技术制备了多孔碳纳米纤维(PCNF),随后使用二次形核法将锐钛矿相TiO_(2)负载到其表面,得到具有光催化活性的TiO_(2)/PCNF复合材料。通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、紫外-可见漫反射光谱仪等表征了TiO_(2)/PCNF复合材料的形貌结构、成分和光吸收性能,并测试了其对降解亚甲基蓝(MB)溶液的光催化性能。结果显示:复合材料的比表面积高达331.9 m^(2)/g,光照30 min后对MB溶液(5 mg/L)的去除率为98.6%,光照60 min后对MB溶液的去除率可达99.6%,均高于同等TiO_(2)含量的对比组;重复使用5次后,其对MB溶液的去除率仍然保持在95.0%;PCNF是一种性能优异的光催化载体材料,它不仅能够实现对纳米TiO_(2)的固定和回收,而且能提高TiO_(2)的光催化性能。

碳纳米纤维调控粉煤灰基地质聚合物力学/传感性能优化

采用物理混合法向粉煤灰基地质聚合物中加入碳纳米纤维(CNF),制备不同CNF质量分数(0~2.0%)的粉煤灰基地质聚合物复合材料。通过对粉煤灰基地质聚合物复合材料微结构、力学性能、电学性能及传感性能进行研究,揭示CNF调控粉煤灰基地质聚合物力学与传感性能的具体演变规律,并对CNF质量分数为0.5%的复合材料进行循环稳定性实验及方差稳定性量化分析。研究结果表明:当CNF添加量增加时,粉煤灰基地质聚合物的弹性模量和抗弯强度皆显著提升;当CNF质量分数为0.5%和2.0%时,复合材料的弹性模量分别提升到1.35 MPa和0.23 MPa,抗弯强度分别提升到3.9 MPa和0.32 MPa;此外,随CNF质量分数增加,复合材料的电阻率随之降低,当CNF质量分数达到2.0%时,复合材料的电阻率降低到46Ω·m,CNF的添加有利于粉煤灰基地质聚合物导电能力提升;在单向加压实验条件下,当CNF质量分数为0.5%、1.0%和2.0%时,复合材料的传感灵敏度分别为71.56、57.33与25.58,随着CNF的加入量不断增大,粉煤灰基地质聚合物的传感灵敏度先增后减,通过实验判断CNF质量分数阈值可能为0~0.5%。在CNF质量分数为0.5%的条件下,复合材料传感性能相对比较稳定。

柔性高比表静电纺碳纳米纤维制备及其吸附VOCs性能研究

碳纳米纤维的直径小,比表面积大,是一种高效的气体吸附材料。但是,碳纳米纤维通常需要经过过程复杂、成本较高并且环境影响大的活化热处理工艺来提高其多孔特性。本研究以聚酰胺酸(PAA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原料,通过共混静电纺丝和热亚胺化获得聚酰亚胺(PI)纳米纤维,再经一步炭化法制备高比表面积的柔性碳纳米纤维,并系统分析碳化条件对柔性PI/PMMA基碳纳米纤维的形貌特征、物理化学性质和VOCs吸附性能的影响规律。结果表明:1000℃碳化条件下制备的PI/PMMA基碳纳米纤维具有最大的比表面积(1047.5 m^(2)·g^(-1))和孔容(0.61 cm^(3)·g^(-1))。吸/脱附动力学实验表明,PI/PMMA基碳纳米纤维比表面积和微孔体积的增大显著加快了吸/脱附过程中甲苯的传质速率。静态吸附实验表明,PI/PMMA基碳纳米纤维在25℃下对甲苯的吸附容量高达6.25 mmol·g^(-1),吸附等温线较符合Langmuir模型,对苯、丙酮、三氯甲烷和甲醇等典型挥发性有机化合物(VOCs)同样具有良好的吸附性能,表明其是一种潜在的优异的VOCs吸附材料。动态吸附实验显示,PI/PMMA基碳纳米纤维对1137 mg·m^(-3)的甲苯气体的吸附容量高达2.97 mmol·g^(-1),经过五次吸脱附循环,其吸附量仍保持在初始值的91%,表现出优异的循环稳定性。本研究制备的柔性PI/PMMA基碳纳米纤维是一种性能优异的VOCs吸附材料,在低浓度VOCs去除方面具有很大的应用潜力。

碳纳米管-碳纤维增强二硫化钨/聚酰胺酰亚胺复合涂层摩擦学性能研究

通过稀土接枝方法将碳纳米管(CNTs)接枝在碳纤维(CF)表面,得到碳纳米管-碳纤维(CNTs-CF)多尺度增强体;以聚酰胺酰亚胺(PAI)为粘结剂,二硫化钨(WS_(2))为固体润滑填料,制备了二硫化钨/聚酰胺酰亚胺(WS_(2)/PAI)复合涂料.在WS_(2)/PAI复合涂料中添加CNTs-CF,涂覆在铝合金样块表面形成碳纳米管-碳纤维增强二硫化钨/聚酰胺酰亚胺(CNTs-CF/WS_(2)/PAI)复合涂层.采用X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman spectra)和扫描电子显微镜(SEM)对CNTs-CF粉末进行表征;采用CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪和VH-2000C型超景深三维显微系统测试分析了不同试验条件下CNTs-CF对WS_(2)/PAI复合涂层摩擦学性能的影响.试验表明:在WS_(2)/PAI复合涂层中添加适量CNTs-CF能显著提高涂层材料的结合强度和耐磨性能,并一定程度上改善涂层的润滑效果.当CNTs-CF的质量分数为1.5%时,涂层的耐磨减摩性能最佳,在不同载荷下均表现出较低的摩擦系数和磨损率.CNTs-CF/WS_(2)/PAI复合涂层优异的摩擦学性能主要归因于WS_(2)的润滑作用、稀土Ce的桥接作用和CNTs-CF的增强作用.

碳酸钠催化制备纳米碳纤维

碳纳米材料中残留的金属催化剂会影响其本征性能的发挥,通常需要采用强酸酸洗除去,但酸洗成本较高且破坏碳纳米材料的表面结构,甚至带来环境问题。本文以乙炔为碳源,碳酸钠为催化剂,采用化学气相沉积法裂解制备纳米碳纤维(CNFs),考察制备温度对CNFs形貌的影响。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜和能谱仪表征CNFs的微观结构和元素组成,通过X射线衍射、拉曼光谱和傅里叶红外光谱表征CNFs的晶体结构和表面官能团。结果表明,500℃制备的CNFs直径约为50nm,产品直径均匀,通过简单的水洗后能除掉CNFs表面的碳酸钠催化剂,乙炔转化率为31.0%,CNFs产率为1396.7%;CNFs表面的碳原子呈无序排列,石墨化度低,主要由C—H、C==C官能团组成。

碳纳米纤维改性硝基胍发射药的结构与性能表征

将碳纳米纤维(CNFs)引入硝基胍发射药体系,探究其对发射药结构及性能的影响规律;通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱(Raman)对样品的结构和组成进行表征;采用差示扫描量热(DSC),通过Kissinger和Ozawa两种方法分别对发射药的热分解行为及动力学进行分析;通过密闭爆发器试验研究了CNFs对硝基胍发射药燃烧性能的影响;最后进行了抗冲击强度测试。结果表明,CNFs改性硝基胍发射药的结构稳定;与空白样相比,添加质量分数1%的CNFs的发射药样品热分解表观活化能(E a)由200.620 kJ/mol提高到208.652 kJ/mol,发射药的热稳定性提升;经CNFs改性的硝基胍发射药燃烧稳定,适量的CNFs对硝基胍发射药燃烧过程有良好的调控作用;适量CNFs可以有效改善发射药的抗冲击强度,添加质量分数为0.5%的CNFs时发射药的低温抗冲击强度相比空白样提高了26.03%。

可重排聚酰亚胺基碳纳米纤维的制备与电化学性能

为了开发具有可持续环境友好型超级电容器储能装置,本文以自制的9,9’-双[4-(4-硝基-3-羟基苯氧基)苯基]芴(BAHPPF)和均苯四甲酸二酐(PMDA)为单体,采用低温缩聚反应制备聚酰胺酸(PAA)溶液,再通过静电纺丝技术制备出PAA纳米纤维。之后,经热酰亚胺化、热重排以及碳化处理制得可重排聚酰亚胺基碳纳米纤维(RPICNFs)。采用红外光谱、扫描电子显微镜、热重分析、X射线衍射、拉曼光谱、氮吸附和电化学性能测试等手段研究PAA溶液质量分数和碳化温度对RPICNFs的微观结构和电化学性能的影响。实验结果表明,当PAA溶液质量分数为25%、碳化温度为800℃时,制备的RPICNF-800-25试样表现出611.06 m^(2)/g的比表面积和0.391 cm^(3)/g的孔体积。当电流密度为0.5 A/g时,RPICNF-800-25的比电容达到171.3 F/g,且在10 A/g时仍保持初始电容的70%,具有较好的倍率性能。

ZIF-67/氧化纳米纤维素衍生碳气凝胶的制备及其电化学性能研究

为获得具有优异电化学性能的三维网络结构碳气凝胶,以TEMPO-氧化纳米纤维素(TEMPO-oxidized nanocellulose,TOCNF)为基体,加入ZIF-67混合均匀后,通过定向冷冻干燥和一步碳化法制备ZIF-67/TOCNF衍生的氧化钴/碳(CoO/C)气凝胶。扫描电子显微镜观察发现,CoO/C气凝胶能够维持碳化前ZIF-67/TOCNF的原始结构,并且由ZIF-67衍生的CoO可均匀负载在碳骨架结构中,提供更多的反应位点;XRD测试结果表明ZIF-67/TOCNF气凝胶显示了接近纯ZIF-67的典型ZIF-67晶体的衍射峰,而归属于TOCNF的衍射峰被抑制。Co是通过ZIF-67的热分解得到的,高温碳化能够得到更好结晶度的Co/C复合材料;拉曼光谱分析表明CoO/C复合材料的石墨化程度较高;电化学测试分析表明CoO/C电极材料的双电层电容与其内部的三维孔结构密切相关,相比于其他碳化温度(500、600、800℃),当碳化温度为700℃时,CoO/C-700气凝胶电极材料具有较优的电化学性能,其比电容可达92 F/g(0.5 A/g),同时表现出较好的倍率性能和循环稳定性。

电纺木质素基磁性碳纳米纤维的制备及其电磁屏蔽应用

本研究以碱木质素(AL)和聚丙烯腈(PAN)为原料,通过预掺杂FeNi金属盐前驱体,利用静电纺丝和高温碳化工艺,制备出具有优异电磁屏蔽效能的电纺木质素基磁性碳纳米纤维(FeNi@LCNF)。结果表明,最佳电纺纤维的AL用量为50%,且当FeNi的负载量为17.3%时,FeNi@LCNF-2呈现良好的导电性和铁磁性;在铁镍元素的催化下,碳化后的电纺纤维表面具有众多“荆棘状”碳纳米管,促进了碳纤维材料的多孔导电网络和异质结构形成,进而赋予FeNi@LCNF-2较高的电导率(8.11 S/cm),使其在X波段内具有38.0 dB的电磁屏蔽效能。

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。

多通道碳纳米纤维的制备及其在超级电容器中的应用

为了开发经济、高性能的水电解质超级电容器电极材料,以聚丙烯腈(PAN)、木质素和聚苯乙烯(PS)为前驱体,采用静电纺丝法制备了低成本的多通道碳纳米纤维原丝,进一步预氧化和炭化后制得PAN/PS/木质素碳纳米纤维(PPLCNFs),当PS添加量为0、0.5、0.75、1.0 g时,样品分别标记为PPLCNFs-0g、PPLCNFs-0.5g、PPLCNFs-0.75g、PPLCNFs-1.0g。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、N2吸附/脱附等温线分析了PPLCNFs材料的微观形貌、微观结构、表面化学性质和孔结构,通过三电极体系和对称式超级电容器测试了材料的电化学性能。研究结果表明:木质素的加入提高了材料的含氧官能团含量,PS的加入促进了碳纳米纤维中多条通道和多孔结构的形成,增大了材料的比表面积(S_(BET))。在不同PS添加量的碳纳米纤维样品中,PPLCNFs-0.75g表现出最优异的结构特性和电化学性能,其纤维横截面呈莲藕状,内部通道多且直径小,S_(BET)高达412 m^(2)/g,孔容为0.24 cm^(3)/g。在三电极体系中,PPLCNFs-0.75g在电流密度为0.5 A/g时,表现出276 F/g的高比电容,当电流密度增加到100 A/g时,其电容保持率为53.7%,明显优于其他样品。以PPLCNFs-0.75g为电极组装的对称式超级电容器具有良好的储能特性和循环稳定性,在电流密度为0.5 A/g时,比电容为186 F/g,当电流密度增加到100 A/g时,其电容保持率为52.6%;在1 A/g的电流密度下进行10000次循环后,电容保持率为99.8%,库仑效率为99.6%。