亲水基团对有机和炭气凝胶孔结构的影响

热固型酚醛树脂、三聚氰胺、间甲酚和甲醛水溶液在碳酸钠催化下,通过溶液-溶胶-凝胶过程合成有机水凝胶,有机水凝胶经溶剂置换、超临界干燥和裂解形成了有机气凝胶和炭气凝胶.在固定酚醛树脂浓度、间甲酚/酚醛树脂、甲醛/三聚氰胺、碳酸钠/酚醛树脂比值,改变三聚氰胺/酚醛树脂比值的条件下,研究了亲水基团对有机气凝胶和炭气凝胶孔结构的影响.结果表明:亲水性的三聚氰胺可增加分子间作用力,有利于凝胶的稳定;但增加三聚氰胺会加大有机气凝胶裂解过程中的质量损失,不利于凝胶的稳定.二种因素协同作用决定着炭气凝胶的孔结构、孔容和比表面.     

炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的吸附性能

间苯二酚和糠醛的醇溶液在六次甲基四胺催化下经溶胶-凝胶过程合成醇凝胶,常压干燥后得到有机气凝胶,经炭化获得炭气凝胶.利用TEM和N2吸附表征了炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体的结构,并通过有机蒸汽吸附实验研究了气凝胶的结构-吸附性能关系.实验结果表明：有机气凝胶和炭气凝胶对极性有机蒸汽的静态饱和吸附量高于对非极性有机蒸汽的静态饱和吸附量;提高热处理温度,有利于气凝胶对低浓度极性有机蒸汽和各种浓度非极性有机蒸汽的吸附,但不利于对高浓度极性有机蒸汽的吸附;随着有机蒸汽浓度的提高,气凝胶对极性有机蒸汽的吸附量明显增大,但对非极性有机蒸汽的吸附量影响不大,仅略微上升.此外,气凝胶的室温脱附率高达60 %～85 %.     

有机/无机杂化制备低密度高中孔率炭气凝胶

通过溶胶-凝胶途径,将间苯二酚-甲醛预聚物和二氧化硅溶胶混合,在碱性溶液中制备出有机/无机杂化水凝胶.水凝胶经溶剂置换、超临界干燥、裂解和氢氟酸刻蚀制备得到炭气凝胶.采用氮气吸附法研究了水凝胶向炭气凝胶转化的结构演变规律.固定间苯二酚/甲醛摩尔比为0.5,二氧化硅溶胶浓度为15g/100mL,考察了二氧化硅胶体颗粒的尺寸及间苯二酚和甲醛浓度对炭气凝胶孔隙结构的影响.结果表明:无机二氧化硅溶胶骨架有效减少了有机物在超临界干燥和裂解过程中的体积收缩.中孔率随间苯二酚和甲醛浓度的升高而增加,孔隙率随二氧化硅溶胶粒子的增大而减小.当间苯二酚和甲醛质量分数之和的达到20%时,7nm二氧化硅溶胶体系的密度低达0.22g/cm3,中孔率达到96%,12nm二氧化硅溶胶体系的密度低达0.26g/cm3,中孔率达到98%.     

石墨烯/炭气凝胶的制备及其结构与性能研究

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为炭前驱体原料, 通过溶胶-凝胶法制备石墨烯/炭气凝胶复合材料。采用XRD、Raman、SEM和N₂吸附/脱附等对样品进行结构表征。结果表明: 石墨烯为R和F的聚合提供形核场所, R和F首先在氧化石墨烯(GO)表面聚合, 随着RF含量的增加, 复合炭气凝胶(RF)结构从石墨烯薄片层为骨架的三维网络, 经RF基炭球包裹于石墨烯的网络结构, 最终转变为球形团簇交联的三维网络。石墨烯/炭气凝胶复合材料的比表面积随着RF的增加先增大后减小。当GO与RF质量比为1︰100时, GO/RF-100用作超级电容器电极材料, 在6 mol/L KOH电解液中的比电容达169 F/g, 具有较好的电容特性。     

RF炭气凝胶孔结构的控制及其电化学性能研究

考察了在以间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,碳酸钠(C)为碱性催化剂,通过溶胶.凝胶过程和常压干燥方法制备RF炭气凝胶过程中CO2活化对炭气凝胶孔结构的影响,并通过恒流充放电和循环伏安法测试其电化学性能.结果表明:CO2活化可明显提高炭气凝胶BET比表面积(SBET)和孔容(Vtotal).RF炭气凝胶在900℃下活化3h,SBET从未活化时的633m2/g提高到1271m2/g;相应的电化学测试结果表明,以1mA/cm2的电流充放电,其比电容可从未活化样的81F/g增加到172F/g;以30mA/cm2的电流进行充放电试验,活化样的比电容仍可达到131 F/g.     

炭气凝胶负载Pt基催化剂的制备及其甲醇氧化催化性能

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,制备R-F炭气凝胶(RF-CAs).继以后者为载体采用浸渍还原法制备铂基催化剂Pt/CA,并比较其与由相同负载工艺制得的以Vulcan XC-72为载体的铂基催化剂Pt/XC72的催化甲醇氧化反应的性能.结果表明,前者具明显高的甲醇氧化催化活性,显示CAs是一种极具潜在竞争力的燃料电池催化剂载体材料.     

炭气凝胶结构的形成和控制

炭气凝胶是一种新型的多孔炭材料,具有可调控的独特的孔结构和良好的导电性,可应用于超级电容器、高效吸附材料、催化剂载体等.本文研究了酚醛基炭气凝胶纳米结构的形成过程和控制方法.炭气凝胶的孔结构主要取决于其前驱体--有机气凝胶.有机气凝胶结构源于溶胶-凝胶聚合中的微相分离过程,相分离经历了从成核--生长--亚稳分解的过渡,在成核--生长区停留时间的长短决定了气凝胶的骨架结构和孔结构.微相分离过程受到酚醛团簇的化学结构和溶剂环境的影响,通过调控酚醛团簇的化学结构和溶胶-凝胶聚合的溶剂环境,可以实现有机气凝胶的纳米结构调控,结合干燥和炭化控制,可以实现炭气凝胶结构的有效调控.     

常压干燥法制备炭气凝胶

炭气凝胶是一种具有交联状结构的新型纳米多孔材料,它是用溶胶－凝胶法和超临界干燥工艺制成的有机气凝胶（RF）经炭化得到的。它具有比表面积大和电导率高等特性,可用作超级电容器和可充电电池理想的电极材料。通过优化传统制备炭气凝胶的工艺,成功地在常压条件下制备出了高RC比（间苯二酚为催化剂的摩尔比）的RF气凝胶和炭气凝胶。用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积测试与孔径分布（BET）等方面对其微结构进行了研究。结果表明,常压干燥法制备的炭气凝胶具有纳米网络结构和大比表面积。用常压干燥代替了超临界干燥,大大降低了制备成本,扩展了其应用前景。     

超临界石油醚干燥和超临界二氧化碳干燥在制备有机和炭气凝胶中的比较研究

热固性酚醛树脂—羟甲基三聚氰胺经历聚合反应、溶胶—凝胶、超临界干燥和裂解过程生成了有机和炭气凝胶。比较了超临界石油醚干燥(240℃、6．0MPa下1h)和超临界二氧化碳干燥(60℃、10．0MPa下7d)在制备有机和炭气凝胶过程中的作用。结果发现：超临界石油醚干燥时间比超临界二氧化碳的显著短，虽然前者制备的有机气凝胶的BET比表面和中孔孔容比后者小，但前者制备的有机气凝胶在热裂解过程中的热稳定性比后者好，因此，超临界石油醚干燥制备的炭气凝胶的BET比表面和中孔孔容均比超临界二氧化碳的大。超临界石油醚干燥可以替代超临界二氧化碳干燥来制备炭气凝胶。     

稀释比对常压干燥制备炭气凝胶结构的影响

以间苯二酚和甲醛为原料,氢氧化钠为催化剂,采用溶胶-凝胶法及溶剂置换、常压干燥、炭化等后续工艺,实现了块状炭气凝胶的常压干燥法制备,并考察了稀释比对气凝胶结构性能的影响。采用XRD、BET、SEM及IR等方法对样品进行表征。结果表明:采用氢氧化钠为催化剂制备的炭气凝胶为非晶态,表观密度为1.10g/cm3,比表面积为620m2/g,平均孔径为16.0nm。实验表明,较低的稀释比更有利于制备出表观密度较小、比表面积较高的炭气凝胶。     

酚醛-糠醛基炭气凝胶对NaCl溶液的电吸附行为

以酚醛-糠醛基炭气凝胶为电极,用恒电位仪提供直流电压,在静态电吸附装置进行了NaCl溶液电吸附试验。考察了NaCl溶液浓度、炭气凝胶电极厚度及施加的电位等因素对电吸附的影响。研究表明,随着NaCl溶液浓度的增加,电吸附量明显增加。在低浓度下,微孔的“电场交叠效应”非常显著。0.6V~2.0V范围的电吸附试验表明,电位在1.5V以下电吸附量随电位改变异常显著,1.5V以后变化趋缓。炭气凝胶电极厚度在0.5nm~1.5mm范围增加时,电吸附量呈现单调减少的趋势。在电压为1.2V厚度为0.5mm时,其电吸附量达到12.7mg/gCA。理想的电吸附电极应富含中孔并尽可能降低电极厚度。     

Effect of ageing conditions on the pore structural properties of titania aerogels

Abstracts are not published in this journal This revised version was published online in November 2006 with corrections to the Cover Date.     

TEMPO催化氧化对球形再生纤维素气凝胶阳离子吸附性能的影响

采用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基(TEMPO)选择性催化氧化体系对再生纤维素气凝胶进行表面羧基化改性,制备出羧基化的再生纤维素气凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外光谱和原子吸收等检测手段对不同氧化处理时间的纤维素气凝胶的微观形貌、化学结构和吸附性能进行表征分析,结果表明,随着氧化处理时间的增加,球形再生纤维素气凝胶的羧基含量逐渐增加,结构稳定性逐渐下降,在改性12h时可以获得羧基含量较高(1.25mmol/g)结构相对稳定的产品;TEMPO氧化处理增加了球形气凝胶表面的透过性,并且避免了内部网络因干燥和氢键缔合而产生的聚集;羧基的引入使球形纤维素气凝胶对阳离子染料和部分金属离子的吸附性能得到改善,其中对金胺O的最大吸附量为1.24mmol/g,对金属离子Cu2+的最大吸附量为0.55mmol/g。     

Commercial activated carbon acidified by nitric acid oxidation. Effect of particle and pore size on the production of surface oxide structures

Commercial activated carbons of different particle size distribution were oxidized with nitric acid solutions and measured for their surface acidity. Multiple internal reflection IR and ESR spectra of activated carbons, surface-treated activated carbons, as well as their spectra after neutralization cycles with 0.1 M. solution of NaOH and HCl, are presented. Each fraction has distinguishing features in the infrared absorption which indicate a relatively distinct and meaningful modification of the principal surface structures. The most prominent absorption bands denote several oxygen-containing groups depending upon the particle size and pore structure of treated carbons. Although the freespin concentration of the acidified carbons is a factor 10^?2 to 10^?3 lower than the surface acid content, the change observed after oxidation indicates either the pore or the particle size effect.     

炭气凝胶负载PtRu纳米颗粒用作甲醇氧化催化剂

采用乙二醇还原法制备了以炭气凝胶(CA)为载体的PtRu纳米颗粒催化剂.透射电镜(TEM)观察得知:PtRu的粒径为3nm左右,且在载体CA表面均匀分散.循环伏安和恒电位测试表明:催化剂的甲醇氧化启动电位和载体的孔结构没有明显依赖关系.以平均孔径较大的炭气凝胶为载体制备的催化剂拥有较高的甲醇氧化催化活性.可以认为催化剂活性的差异主要是由其不同的传质性能决定的.甲醇在较大的孔中扩散比较快,更容易到达PtRu颗粒的表面,从而提高了贵金属Pt的利用效率.     

热处理温度对TiO2气凝胶光催化剂的催化性能的影响

以钛酸丁酯、无水乙醇为原料，通过溶胶-凝胶法在常压干燥下制备了TiO2气凝胶光催化剂。用XRD、SEM、BET和TGA等手段研究了不同热处理温度对其结构的影响。结果表明，TiO2气凝胶晶型由锐钛矿相向金红石相的转变温度在400～500℃之间，700℃时全部以金红石相存在。随着温度升高，TiO2晶粒的尺寸略有变大，样品的比表面积减小，平均孔径先增大后减小。TiO2气凝胶颗粒大小为0．2mm左右，尺寸较大，便于再回收利用。甲基橙溶液降解实验结果表明，随着温度升高，TiO2气凝胶的催化性能降低，400℃热处理的TiO2气凝胶在紫外光照120min时对20mg／L的甲基橙溶液的降解率达到92．9％。     

Self-setting particle-stabilized foams with hierarchical pore structures

This study presents a novel method to produce self-setting inorganic foams with unique hierarchical pore structures. The combination of particle-stabilized alumina foams with calcium aluminate cement leads to a macroporous ceramic material which can be shaped and consolidated at room temperature, bypassing the challenging and sometimes extensive drying and sintering steps. Due to the water consuming cement hydration reaction, no macroscopic shrinkage was observed and crack and cavity formation was prevented throughout the entire specimens. The final microstructure features a porosity of 76 vol.% and a unique hierarchical pore structure with interconnecting pores of 200 µm diameter, separated by mesoporous pore walls. The authors believe that this newly developed method opens a door to novel applications where so far the drying and sintering step and its inherent shrinkage of the ceramic foams were the limiting factors.     

Mesoporous niobium oxides with tailored pore structures

Novel thermally stable and 2D mesoporous niobia phases were prepared by the evaporation induced self-assembly (EISA) with high surface areas (up to 211 m²/g). The pore size of these novel mesoporous niobium oxides was tuned in a wide range from 4.6 to 21 nm by increasing the aging temperature, aging time, and humidity of aging atmosphere. Mixtures of two nonionic surfactants, Pluronic P123 and Brij 35, were for the first time used to tune the pore structure of resultant mesoporous niobia phases which showed that the mesopore shape may be switched from cylindrical to ink-bottle. The niobia mesostructures obtained in this study were thermally stable up to 500 °C. These novel mesoporous niobium oxides with tunable pore sizes are highly promising as catalytic supports and a major component in the synthesis of porous Nb-containing mixed metal oxides, such as MoVTeNbO _x catalysts for selective (amm)oxidation of propane.