有序介孔复合炭膜的制备及其性能研究

采用软模板法合成有序介孔炭(OMC),利用XRD、TEM及SEM等分析方法对其进行结构性能分析,探讨了催化剂和模板剂的种类及用量、反应温度等合成工艺条件对形成OMC结构性能的影响。以最佳工艺条件制备的OMC前驱体为涂膜液涂敷在管状微滤炭膜表面,经炭化制得有序介孔复合炭膜,而后考察了复合炭膜的气体渗透性能。结果表明:以盐酸为催化剂、模板剂F127/间苯二酚摩尔比为0.0081、反应温度为30℃时,可合成有序程度最佳的OMC前驱体。用该OMC前驱体涂敷微滤炭膜制备的有序介孔复合炭膜,改善了微滤炭膜的孔结构,最大孔径由0.530μm减小至0.299μm,同时提高了炭膜的气体渗透通量。其中,由混煤微滤炭膜所制有序介孔复合炭膜,N2气渗透通量达1.18·10-8m3·m-2·s-1·Pa-1,是未经修饰烟煤微滤炭膜的4倍。     

藻类生物炭材料的设计合成及其在能源与环境领域中的应用进展（英文）

能源危机和环境恶化是人类社会面临的两大难题。多孔炭材料因孔隙发达、结构易调和化学性质稳定等特点在能源存储和生态环境治理等领域具有重要作用,其应用性能高度依赖碳源的选择及其合成方法和条件优化。生物质富含有机碳元素且具有成本低、可再生等优点,以生物质为碳源构建多孔炭材料符合绿色化学理念、具备实现大规模工业化应用前景,特别是藻类生物质因富含杂原子纤维组分被认为是构建杂原子掺杂多孔炭材料的优良前驱体。通过有效调控合成方法和工艺过程,设计具有孔径结构和表面化学性质可控的藻类生物炭材料并在能源存储和生态环境治理等应用领域表现出优异性能,有效实现能源资源与生态环境和谐共存,特别是有研究报道海带基多孔炭的比表面积高达4 000 m~2/g。本文系统评述了藻类生物炭材料的制备方法及其孔径结构形成机理,并着重介绍这类多孔炭材料在电化学储能和吸附等方面的研究进展及其性能调控策略。提出藻类生物质衍生多孔炭材料面临的新趋势与挑战,并对未来开发低成本、高效率的高性能生物质基多孔炭材料的探索方向进行了展望。     

MOF材料自模板炭化制备纳米多孔炭的研究进展（英文）

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。     

管状多孔炭膜的研究

介绍了管状多孔炭膜的制备方法及应用,探讨了不同材料制备支撑体炭膜和炭－炭复合膜的效果及影响炭膜孔结构性能的主要因素。研究表明,煤和酚醛树脂均是良好的制膜材料,制得的支撑体炭膜不仅具有较高的孔隙率和气体通量,而且孔隙结构均一,机械强度高。膜材料的种类,粒度及炭化工艺条件等因素对炭膜的孔结构性能影响较显著。以酚醛树脂等高分子聚合物及煤热解产物为涂膜液制得的炭－炭复合膜其孔径明显的变小,孔径分布变窄。炭     

以酚醛包覆玻璃纤维为前驱体制备廉价活性炭纤维（英文）

以酚醛树脂、聚乙烯醇和糠醛的混合物包覆玻璃纤维,经炭化和氯化锌活化制备出一种廉价的纤维状活性炭材料。表征了这种纤维状活性炭材料的表面形态、微晶结构、孔结构、表面化学特征和机械强度,评价了该材料的吸附性能。结果表明,在炭前驱体中加入聚乙烯醇和糠醛可以有效促进孔隙的发育,提升所制备多孔炭材料的孔隙率。当在前驱体中加入聚乙烯醇和糠醛时,所制多孔炭材料的比表面积可达2 023 m~2/g,否则其比表面积则仅为404 m~2/g。聚乙烯醇的加入提高了氯化锌的溶解性,促进了炭前驱体的活化;而糠醛与酚醛交联结构的形成则提高了炭前驱体的热稳定性,提高了炭得率。这两方面的措施均有利于提高样品的比表面积并降低其制备成本。该纤维状活性炭材料具有与传统活性炭纤维相似的微晶结构和吸附性能。     

基于微孔有机聚合物的多孔炭合成

近年来,多孔炭材料因比表面积高、孔结构丰富、化学稳定性高以及导电性好等优点已成为化学、生物以及材料等领域的研究热点,被广泛应用于催化、药物负载与缓释和电化学等方面。微孔有机聚合物(Micropore organic polymers,MOPs)作为一种近年来发展迅猛的新型多孔材料,具有合成方法多样性、化学和物理性质稳定、孔结构可调、较高的比表面积以及表面易修饰等特性,较传统多孔材料(如沸石,硅胶等)具有更好的应用前景。同时,MOPs材料的热稳定性好,高温炭化可得到孔结构可调的多孔炭材料,这进一步拓展了MOPs材料的应用。本文综述了MOPs作为前驱体,利用煅烧制备多孔材料的方法及其应用,并对MOPs对多孔炭的理性设计进行了展望。     

有序介孔炭分子筛膜的制备与表征

以三嵌段共聚物P123为结构导向剂和有机碳源,正硅酸乙酯为无机前驱体,在微量酸的催化条件下,结合非水体系蒸发诱导自组装技术与溶胶-凝胶工艺,采用浸渍-提拉法制备了介孔炭分子筛膜,研究了陈化温度对介孔炭膜结构的影响。通过透射电镜(TEM)、N2物理吸附-脱附、场发射扫描电镜(FESEM)和热重分析(TGA)对膜体的形貌结构性能进行了表征。结果表明,P123是优良的制膜材料,硫酸的预处理提高了P123的碳转化率,是成膜的关键因素之一。所制备的膜体材料由一定取向的类碳纳米管阵列组成;膜体表面致密、光滑无裂纹,具有孔径均一的对称结构。同时可以通过改变涂膜液的陈化温度来调节炭分子筛膜的孔径大小。     

大蒜皮基多孔炭材料的水热法制备及其CO_2吸附性能（英文）

以大蒜皮为碳源,先采用水热法制备炭前驱体,再经KOH活化法制备了高比表面积和高孔体积的多孔炭材料。采用氮气吸附仪、扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)仪对所制多孔炭的孔结构和形貌特性进行表征。结果表明,活化温度对多孔炭材料的比表面积和孔体积影响较大,当活化温度为800℃和KOH/炭前驱体浓度比为2时,得到的多孔炭材料(AC-28)比表面积和孔体积分别高达1 262 m~2/g和0.70 cm~3/g;当活化温度为600℃和KOH/炭前驱体浓度比为2时,多孔炭材料(AC-26)比表面积和孔体积分别为947 m~2/g和0.51 cm~3/g。虽然AC-26样品的比表面积和孔体积均较低,但其微孔率高达98%,使得此材料CO_2吸附性能优异,在25℃和1 bar时的CO_2吸附量高达4.22 mmol/g。常压下影响多孔炭材料中CO_2吸附量的主要因素是微孔率,并不是由比表面积和孔体积决定。当具有合适的孔径结构和比表面积时,生物质基多孔炭材料中微孔率的增加会有效增加CO_2吸附量。     

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...     

NaY分子筛模板法合成多孔炭材料

采用NaY沸石分子筛作模板,乙酰丙酮为炭前驱体,使用液相浸渍-气相沉积工艺合成了富含微孔和中孔结构的多孔炭材料并对其进行了表征.所合成的多孔炭比表面积1351m2/g,孔容0.892cm3/g,微孔率0.63,孔径分布多在0.8nm～3.0nm之间.     

三维碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料的电磁屏蔽性能

碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能, 三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体, 并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体, 随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%, 多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12 GHz (X)波段从9.2 dB增加到64.1 dB。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 dB电磁屏蔽性能。结果显示, SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代军事电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。     

炭前驱体对活性炭孔结构和电化学性能的影响

分别以毛竹和石油焦为炭前驱体,采用KOH活化法制备超级电容器用高比表面积活性炭材料,考察了碱/炭比对不同炭前驱体所制得的活性炭的孔结构、吸附性能和电容性能的影响。结果表明,在相同的碱/炭比下,竹基活性炭孔径2nm的微孔较发达,而石油焦基活性炭孔径在2～50nm的中孔率较高。在适宜的工艺条件下,以毛竹为炭前驱体可制得比表面积为2610.7m2/g,比电容为206F/g的活性炭材料;以石油焦为炭前驱体可制得比表面积为2597.9m2/g,比电容为213F/g的活性炭材料。     

MCMB/G制备DMFC管状阴极支撑体及电池性能

采用中间相炭微球/石墨(MCMB/G)作为炭前驱体材料,采用凝胶注模成型工艺制备DMFC管状阴极支撑体素坯,并通过1 000℃埋炭烧结工艺制备了管状支撑体烧结体。在此基础上,采用涂覆和包覆工艺,分别制备了管状阴极和平板阳极,组装了膜电极和异型单电池。结果表明,所制备的管状阴极支撑体表面光滑且未变形;管状阴极表面的扩散层和催化层为多孔结构,大部分孔径处于亚微米级,这有利于传质和提高催化效率;通过组织和单电池性能研究,证实了MCMB/G作为异形阴极支撑体的可行性。     

高压浸渍-炭化制备炭/炭复合材料的组织结构

为研究高压浸渍-炭化制备的炭/炭复合材料的组织结构,以1 K PAN基高强度炭纤维为增强体,以调制中温煤沥青为基体前驱体,采用超高压浸渍-炭化工艺制备出2.5D沥青基炭/炭复合材料.采用偏光显微镜及SEM电镜对材料内部的组织形态进行了观察.研究表明:以中温沥青为基体前驱体所制备的炭/炭复合材料,在纤维束内,由于纤维之间的孔隙较小,形成的基体组织主要为镶嵌组织;而在纤维束之间,由于空间较大,出现的基体组织既有镶嵌型组织,也有域型组织.在沥青基炭基体中,有孔洞、裂纹、沟槽等缺陷.     

酚醛树脂基多孔炭的制备及应用研究进展

酚醛树脂是一种常用的活性炭碳源,其独特的优势使其受到科研工作者的青睐。由于孔结构是影响活性炭性能和应用的主要因素,孔径调控是多孔炭制备过程的关键。常用的孔径调控方法有金属催化,添加造孔剂以及模板法。通过不同的造孔方法制备的酚醛树脂基多孔炭在环保、电化学、医药催化等领域有着广泛的用途。综述了酚醛树脂基多孔炭的制备和常用的孔径调控方法以及近年来主要的应用,并对其以后的研究和应用进行了展望。     

SBA-15模板法有序多孔炭膜材料的制备及表征

以介孔分子筛SBA-15为模板剂,聚酰亚胺为前驱体,经共混、成膜、炭化及脱模板过程,制备了有序多孔炭膜材料(OPCM)。通过热失重、红外光谱、电子显微镜和X-射线衍射,分别对前驱体热稳定性、膜表面官能团、微观形貌与微观结构进行了表征。考察了SBA-15脱除前后的炭膜微观结构与形貌,及OPCM气体分离性能。结果显示,当炭化温度为650℃、SBA-15用量为1%时,所制得OPCM的气体分离系数显著高于努森扩散。     

不对称炭膜的制备及结构性能研究

以Kapton型聚酰胺酸(PAA)为前体,以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂和凝胶浴添加剂,分别以水、乙醇、正丙醇、正丁醇为凝胶介质,采用干湿相转化法制备不对称聚酰亚胺膜,经高温炭化制备不对称炭膜.探讨了相转化制膜工艺如铸膜液浓度、蒸发时间、凝胶介质及炭化温度等因素对不对称炭膜微结构和气体分离性能的影响,并采用SEM、XRD等手段对不对称炭膜的表面形态及微结构进行表征.研究表明,采用相转化的方法成功地制备了具有不对称结构的炭膜,相转化制膜工艺、炭化工艺对所制备不对称炭膜的结构及气体分离性能有较大的影响;控制适宜的铸膜液浓度、预蒸发时间有利于制备具有高通量、高分离选择性的不对称炭膜;提高炭化温度可以改变其微观结构,使炭膜的有序度和致密度增加,进而对膜的气体分离性能产生影响。SEM分析表明,所制备的不对称炭膜表面致密无缺陷,且具有明显的致密皮层和多孔支撑层结构;XRD显示,制备的不对称炭膜的微结构为乱层炭结构.     

炭膜表面疏水改性及老化性能研究

采用溶胶凝胶法,以正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为混合硅源,合成疏水硅溶胶,将其浸渍涂覆在卷式炭膜上,经干燥、热处理制备了具有高疏水性能的疏水炭膜.考察了硅溶胶制备工艺和膜热处理工艺对所制备炭膜疏水性能的影响.采用水接触角测试仪、TG、FTIR、AFM、SEM和TEM等测试手段,对疏水炭膜的表面结构和疏水性能进行了表征.结果表明,通过硅溶胶表面改性,在炭膜表面引入了甲基化的二氧化硅的表面结构,提高了其疏水性能.硅溶胶的制备工艺对所制备疏水炭膜的表面化学结构、形貌及粗糙度有较大的影响.其中硅溶胶合成反应温度对提高膜表面疏水性能的影响最为显著;膜表面甲基基团含量对改善炭膜表面的疏水性能起到决定性作用.通过控制硅溶胶合成和膜的热处理工艺可以有效地调控疏水炭膜的表面疏水性能;在最佳条件下制备的疏水炭膜,其表面粗糙度为34.263nm;水接触角达到138°左右,表现出良好的疏水性能.气体渗透性能测试表明,炭膜疏水改性对炭膜的气体渗透性能影响较小,但明显地提高了炭膜的抗老化性能.     

核壳结构硅/多孔炭粉体的制备

以硅粉和酚醛树脂(PR)为原料,采用包混工艺制备硅/多孔炭核壳结构粉体.研究了酚醛树脂和硅粉含量以及老化温度对硅/酚醛树脂前驱体粉体形成能力的影响,并采用X射线衍射、扫描电镜和能谱等手段对粉体进行表征.研究表明,当PR与乙醇的体积比小于1,Si粉与乙醇的质量比小于2,老化温度在30℃～60℃时可以制备出性能良好的前驱体粉体;硅/多孔炭核壳粉体的炭含量随着前驱体粉体酚醛树脂含量的增加而增加;硅/多孔炭核壳粉体的炭壳由酚醛树脂高温裂解形成的树脂炭构成,炭壳的孔则由树脂裂解过程中释放出的大量气体形成.     

孔隙可调控多孔铜粉的气相去合金制备及性能研究

多孔铜粉具有独特的孔隙结构和大比表面积,是适合于催化生长和化学负载的基元功能材料。但受限于粉末尺寸小、活性高,目前鲜有关于多孔铜粉制备工艺的研究。以球磨后的铜锌合金粉末为前驱体,采用气相去合金的方法成功制备了多孔铜粉。应用SEM、EDS、XRD、TEM等表征手段研究了去合金温度、时间、原始合金成分和球磨变形对粉末性能的影响。实验结果表明,孔隙结构变化是Zn原子去合金驱动力,Cu原子表面扩散和Cu原子体扩散三者互相竞争的结果。表面孔隙粗化过程受Cu原子表面扩散主导,而Cu原子体扩散会引起孔隙结构的收缩。球磨引入的位错通过提供快速扩散通道的方式降低了孔隙粗化过程的扩散激活能,加快了去合金过程的进行。制备的多孔粉末最大表面孔隙率为17%,平均孔隙尺寸为0.6～1.1μm。通过调整工艺参数,可以调控多孔铜粉的表面孔隙。