一维纳米碳在碳基体上生长的研究进展

综述了采用化学气相沉积法在各种碳质基体上生长一维纳米碳的制备方法,阐述了基体的预处理、催化剂、碳源、生长温度等各种因素对产物的影响,简要介绍了在碳基体上生长一维纳米碳的性能和应用.     

高残炭热固性酚醛树脂的合成及表征

以萘酚部分替代苯酚合成了高残炭热固性酚醛树脂。研究了萘酚用量、催化剂用量、反应温度和时间对残炭率的影响,确定了合成工艺条件。用IR和TGA对产品的化学结构与热性能进行了分析测定,结果表明,树脂分子链中不稳定的醚键含量低于普通酚醛树脂,产品的分解温度为460℃,残炭率可达61.3%,适用于碳/碳复合材料和耐烧蚀材料的树脂基体。     

碳纳米团簇向碳纳米纤维相转变机理研究

为了能够快速且大面积生长碳纳米纤维,研究碳纳米纤维的形成、转变及在各种物理、化学环境下的反应机理,应用等离子化学气相沉积(PECVD)方法,以CH4为反应气体,FeCl2为催化剂在玻璃衬底上生长碳纳米薄膜.应用扫描电镜(SEM)观察了碳纳米纤维薄膜的表面形貌,拉曼(Raman)光谱分析了碳纳米纤维的结构组成.结果表明,无催化剂时薄膜主要由纳米团簇构成,而催化作用下薄膜呈纤维状生长,纳米纤维为典型的碳纳米管石墨特征峰.在温度,气压,催化剂等反应条件中,FeCl2催化剂对碳纳米薄膜的取向生长起决定性作用,通过调节催化剂的浓度与分布,可有效改变碳纳米纤维的密度与分布.     

熔融硅液相浸渍法制备C/C-SiC复合材料

采用熔融硅液相浸渍法制备了C/C-SiC复合材料,反应生成的SiC主要分布在层间孔和束间孔碳基体表面,少量分布在束内孔.1600℃渗硅2 h,硅化深度约为2～4 μm.由于液态硅与碳之间的润湿性很好,在碳基体表面形成了连续的SiC层,局部有粗大的多面碳化硅颗粒生成;讨论了细晶粒连续SiC层和SiC粗晶粒形成机理.由于SiC的加入,材料的抗氧化性能得到明显改善.     

化学气相沉积反应中金属-碳协同催化碳纳米管生长的理论和实验证据

从理论和实验角度研究了金属-碳协同催化的化学气相沉积反应中碳纳米管的成核和生长过程.结果表明:多壁碳纳米管的成核和生长不仅受金属的催化作用,碳核一旦形成也会促进碳纳米管向轴向和径向的生长.金属催化剂颗粒仅仅在促进最内层碳核的形成及生长,碳原子向有序的石墨结构转化有催化作用.多壁碳纳米管和单壁碳纳米管形成的本质区别在于是否存在碳的自催化作用.     

碳/碳复合材料热解碳基体的织构界面形成机制Monte Carlo模拟

基于热解碳沉积的Particle-Filler（P-F）概念模型和Langmuir-Hinshelwood理论,提出了包含吸附/解吸附/脱氢的多步非均相反应动力学机制,实现了碳/碳复合材料制备中热解碳基体在碳纤维表面连续沉积及其织构形成过程的理论建模,并采用Gibbs系综Monte Carlo （MC）方法对化学气相渗透（CVI）工艺中热解碳基体的织构界面形成过程进行了数值模拟。研究表明：由于气相中小的芳香烃组分C₆的吸附比线性小分子烃组分C₂的吸附更容易受到抑制,因而限制了沉积表面的P-F双分子反应;随C₆与C₂浓度比值R的变化,热解碳的织构形成过程呈现双稳态分布,导致了2种不同的亚稳相碳即中织构（MT）和高织构（HT）热解碳的生成,并在碳/碳复合材料热解碳基体内部形成了鲜明的织构界面。进一步的计算表明：热解碳织构双稳态转变存在一个迟滞域,其大小受气相成分的组成参数R、线性小分子烃C₂的初始浓度及沉积温度T的影响;为了得到均一织构的热解碳,应当在迟滞域外的区域合理选取CVI的工艺参数。     

钒酸盐对柴油机排气中碳烟氧化的催化性能

制备并表征了KVO3、K4V2O7和熔盐KVO3 KCl、K4V2O7 KCl催化剂.用固定床反应器通过程序升温氧化法(TPO)研究了催化剂在紧密接触和松散接触条件下对柴油发动机排气微粒中碳烟氧化的催化活性,考察了催化剂的热稳定性,并用泡沫陶瓷作为过滤材料研究了催化剂的性能.结果表明:钒酸盐催化剂KVO3、K4V2O7、KVO3 KCl和K4V2O7 KCl对柴油机排气中碳烟微粒的燃烧具有较高的催化活性和热稳定性.熔盐催化剂KVO3 KCl和K4V2O7 KCl的流动性增加了与碳烟的接触,使其具有较高的催化能力.γ-Al2O3能防止负载于其上的催化剂因吸潮而产生的团聚,但是其稀释作用使催化剂的性能降低.与碳烟的接触方式对催化剂的性能有很大影响,紧密接触方式使催化剂与碳烟颗粒混合均匀,增加了催化剂与碳烟颗粒的接触机会.     

洁净单壁碳纳米管在Fe2O3／Al2O3二元气凝胶催化剂上的水辅助合成

分别以甲烷-氧气和甲烷-氢气-水的混合气作为反应气源,利用Fe2O3/Al2O3二元气凝胶作为催化剂于900℃反应30min合成了单壁碳纳米管.并采用SEM、XRD、TEM,高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及Raman光谱等分析技术对所制得的碳产物的结构和形貌进行了表征,以研究反应气氛中水蒸气的引入对单壁碳纳米管生长的影响.结果表明:反应气氛的组成对最终所形成的碳产物的产率和结构有着密切的关联.通过控制氢气载入甲烷-氢气-水的混合气氛中水蒸气的量可以合成低无定形碳的沽净单壁碳纳米管.     

微生物燃料电池阴极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种集废水处理与能量产生于一体的能源可持续发展技术,其利用微生物的催化作用将废水中的化学能转化为电能。MFC阴极催化性能直接决定了整个系统的产电水平,因此,阴极材料的制备与开发一直是研究热点。重点介绍了阴极基体材料和阴极催化剂的最新研究进展。其中,阴极基体材料包括碳基材料和非碳基材料,阴极催化剂包括贵金属、非贵金属、过渡态金属和导电聚合物催化剂等,并且比较了各种催化剂的物理性质、催化活性、氧化还原性能和对MFC系统产电能力的影响,为开发成本低、稳定性好、催化和氧化还原性能高的阴极材料提供了综合性参考。     

煅烧温度对钙钛矿复合金属氧化物的结构及其同时催化去除NOx和碳烟的影响

采用简单方便的方法制备了钙钛矿型催化剂La0.8K0.2Cu0.05Mn0.95O3,用程序升温反应的方法评价催化剂同时去除NOx和碳烟的性能,利用XRD、BET和SEM研究煅烧温度对其结构的影响,进而从物理角度分析催化剂性能的影响因素.结果表明,随着煅烧温度的升高,催化剂的晶型更加完美,比表面积和平均孔径都下降,内部的微孔逐渐减少.结合程序升温反应可知,最有利于同时催化去除NOx和碳烟的催化剂的平均孔径为17nm左右.     

酸处理对FeN/ZIF-8催化剂氧还原反应催化性能的影响

研发高性能、低成本的非贵金属阴极氧还原反应催化剂是目前质子交换膜燃料电池的主要研究方向之一。以1, 10-菲啰啉为氮源, FeSO₄·7H₂O为铁源, 考察以ZIF-8为载体制备的FeN/ZIF-8催化剂的氧还原反应催化性能, 并探究酸处理对FeN/ZIF-8催化剂结构及性能的影响。通过X射线衍射、比表面积和孔径分布测试、透射电子显微镜等物理表征手段对催化材料进行结构表征, 使用旋转圆盘电极对催化剂氧还原反应催化活性和稳定性进行测试。结果表明: 以ZIF-8为载体制备的催化剂含有Fe₃C, 以及具有较大的比表面积, 这可能是催化剂具有较高氧还原反应初始催化活性的原因。酸处理可去除催化剂中部分不稳定的含铁碳化物和无序碳结构, 使催化剂具有更大的比表面积、更丰富的介孔结构和更高的孔体积; 同时, 酸处理可提高碳基体的耐腐蚀性, 在老化测试中维持催化剂所具有的较高比表面积和丰富的介孔结构, 从而使FeN/ZIF-8-A催化剂表现出更好的氧还原反应活性和稳定性。     

原位生长的气相生长碳纤维增强C/C复合材料的制备及其弯曲性能

以丙烯为碳源, FeCl₃·6H₂O为催化剂, 采用化学气相沉积法(CVD)在碳毡和不同密度的C/C复合材料上原位气相生长碳纤维(VGCFs) , 并以含原位生长VGCFs的碳毡和不同密度的C/C复合材料为基体制备VGCFs-C/C复合材料。研究了反应压力、基体密度对VGCFs生长情况的影响, 借助扫描电镜(SEM)、光学显微镜观察原位生长VGCFs的形貌及基体原位生长VGCFs后热解炭形貌的变化, 并对比研究了C/C复合材料和VGCFs-C/C复合材料的弯曲性能。研究结果表明, 反应压力为3700 Pa, 基体密度低的情况更有利于VGCFs的生长; 原位生长的VGCFs改变了纤维表面热解炭的沉积形貌, 使得热解炭和碳纤维的结合面之间形成具有铆钉作用的球状结构, 增强了界面结合力, 从而提高了原位生长的高VGCFs含量样品的弯曲强度。     

多孔碳质材料在氧还原电催化中的应用

氧气的电化学还原(氧还原)反应是多种能量存储与转化装置中的关键电化学步骤,氧还原的难易程度决定了这些装置综合性能的好坏。氧还原反应自身的动力学过程缓慢,通常需要催化剂来提高反应速率。碳质材料在其中发挥着非常重要的作用,常见氧还原催化剂铂、钯等贵金属及近期出现的多种非贵金属,大多是负载于各种纳米碳质材料或直接利用掺杂纳米碳质材料作为催化剂,包括各种多孔炭或基于多孔炭的材料。因此,多孔碳质材料的发展对于氧还原催化剂的研究与发展起到了促进作用。本文从多孔碳质材料制备手段出发,论述了多孔碳质材料在氧还原反应的作用,涵盖了贵金属催化剂载体到非(贵)金属催化剂等方面的研究进展。与此同时,对新型碳质材料调控多孔结构的方法加以阐述,并对未来新型多孔碳质材料用于氧还原催化剂的前景和方向进行了展望。     

镁-镍合金催化剂制备及纳米碳管生长模式研究

采用多元醇法制备镁-镍合金纳米粉末,并以此为催化剂制备纳米碳管,利用比表面和孔径分布测定仪、X射线衍射仪和透射电镜,研究镁-镍合金催化剂的性能和纳米碳管的生长模式。结果表明:Mg∶Ni值对镁-镍合金催化剂特性影响较大,其中Mg∶Ni为1的催化剂颗粒比表面积较大且平均粒径较小;聚乙烯吡咯烷酮(PVP)用量增大,有利于提高催化剂颗粒的比表面积、减小平均粒径,但用量过大不利于Mg2Ni合成。在以镁-镍合金为催化剂制备碳纳米管的过程中,首先在催化剂表面形成碳膜,随后形成的碳膜将前期形成的碳膜及催化剂颗粒向外推挤,催化剂颗粒移动后遗留下中空隧道,最终形成碳管,由于纳米碳管尖端的催化剂颗粒反应后失去催化活性,碳管的生长动力主要来自碳管根部。     

TiO_2促进纤维状碳基固体酸的制备及性能表征

以TiO2负载的脱脂棉纤维为原料,通过碳化和磺化的方法制备了新型碳基固体酸催化剂(Ti/CS).利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、N2物理吸附(BET)、化学吸附(NH3-TPD)、元素分析(EA)等方法对催化剂进行了结构表征,并评价了催化剂在乙酸和乙醇酯化反应和淀粉水解反应中的催化活性.结果表明,TiO2以锐钛矿的形式负载于催化剂表面,同时酸性与无TiO2负载的碳基固体酸(CS)相比有所增强.酯化反应中,乙酸的转化率为85%,乙酸乙酯的产率为81%;淀粉水解反应中,120℃微波辐射40min,葡萄糖收率最高可达86%。     

甲烷在Ni/Al2O3催化剂上积碳与失活行为研究

采用浸渍法制备Ni/Al2O3催化剂,研究反应条件对甲烷裂解生成碳产物形貌的影响和催化剂的失活机制.结果表明:在40Ni/Al2O3催化剂上碳生成物的沉积形式均呈纤维状结构,反应温度越高、空速越大,碳纤维的直径越小;碳在金属颗粒体相中的扩散是碳纳米纤维生长过程的速率控制步骤,当碳的生成速率低于碳在Ni中的体相扩散和迁移速率,生成的炭以纤维状结构生长.     

固体酸催化剂在制备生物柴油中的进展

生物柴油是环境友好的替代燃油,由天然油脂与低级醇通过酯交换反应制备。采用固体酸催化剂制备生物柴油较为简单,同样适用于低等级、高度酸性以及含有水的油的酯化和酯交换反应,且不形成皂化物,还可以有效避免传统均相酸碱催化酯交换工艺中存在的产品分离困难和废催化剂的二次污染问题。研究非均相固体酸催化剂在生物柴油生产中的应用,对于正在兴起的中国生物柴油产业具有重要的意义。详细介绍了各种固体酸,包括硫酸化的金属氧化物、磺酸离子交换树脂、磺酸改性的介孔二氧化硅材料、磺化碳基催化剂、杂多酸和酸性离子液体作为酯化和酯交换反应中的非均相催化剂的研究进展。     

hcp晶相的Ni纳米颗粒对不同官能团的通用催化加氢活性（英文）

催化加氢是生产高附加值燃料和精细化学品的重要工业途径,但需要高效的催化剂,尤其是廉价的非贵金属催化剂.迄今为止,大多数高性能催化加氢催化剂都是由贵金属材料制成,并且这些催化剂都只能用于催化一种或几种特定的反应.在这里,我们例证了一种晶相工程方法,其能赋予Ni纳米颗粒(NPs)卓越的、广谱的内在催化加氢活性.这种负载于碳载体上含有hcp晶相的Ni NPs催化剂通过直接碳化热解Ni咪唑MOF前驱体获得.在纯水中,含hcp相的Ni NPs对硝基、醛、酮、烯烃和N杂环化合物表现出前所未有的加氢催化活性,优于类似物fcc-Ni和目前报道的其他过渡金属催化剂.密度泛函理论计算表明,hcp-Ni通过增强底物吸附强度和降低速率决定步骤的反应势垒能共同来提高内在催化氢化活性.我们预计这项工作中揭示的晶相工程设计方法将适用于其他类型的反应.     

催化剂焦碳含量对MTO反应气中乙烯、丙烯产率的影响

目前,煤或天然气经由甲醇制取低碳烯烃（MethanolToOlefin,MTO）成为备受关注的生产路线。其中,甲醇制烯烃的关键因素之一就是催化剂——DMT0催化剂,其性质和性能决定着MTO装置的进程。然而影响催化剂活性的因素有很多,本文就对催化剂的焦碳含量和MTO反应气中乙烯、丙烯的产率数据进行分析对比,进而得出催化剂焦碳含量对催化活性的影响以及它对MTO反应产品气中乙烯、丙烯产率的影响。     

多尺度镍-氮-碳催化剂在电还原CO_2生成CO中的研究进展（英文）

电化学CO_2还原(ECR)作为一种清洁的CO_2转化技术,倍受关注。开发高效的电催化剂是影响和决定ECR技术发展的关键。碳基材料具有来源丰富、比表面积高、孔隙率大、维数尺度多和活性位点可调等优点,是理想的ECR电催化剂之一。其中,金属镍-氮-碳(Ni-N-C)材料由于其活性位点丰富、选择性高等特点,在ECR生成CO的过程中展现出巨大的优势和应用潜力。本文介绍了ECR反应的基本原理和主要性能参数,综述了近年来国内外有关多尺度Ni-N-C催化剂在ECR反应生成CO中的研究进展。详细介绍了Ni-N-C催化剂碳骨架/基底的种类,主要包括小尺度碳质材料、一维(1D)碳质材料、二维(2D)碳质材料和纳米多孔碳质材料。讨论了Ni-N-C催化剂在电还原CO_2生成CO应用过程中存在的问题。最后,展望了Ni-N-C催化剂在ECR体系中的挑战与应用前景。