傅里叶变换红外光谱技术在超临界CO_2作用聚合物体系中的应用

超临界CO2(scCO2)作为一种物理化学性质优良、具有高扩散速率及优良溶解性能的溶剂,在科学研究及工业生产中广受青睐。将scCO2应用于聚合物体系中,CO2与聚合物间特殊的相互作用有利于CO2分子在聚合物中的吸附与扩散。同时通过CO2的吸附及其对聚合物的溶胀和塑化作用,聚合物所处微观化学环境以及整体结构性质会发生一定的变化。由于傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术能够有效地考察化学环境变化对分子结构造成的影响,这一表征技术在超临界CO2作用体系中广为应用。本文主要选取了近年来利用FTIR技术考察scCO2作用于聚合物体系的一些实例,从CO2-聚合物相互作用机理,scCO2对聚合物或生物大分子的加工过程的影响两方面,阐述了红外光谱技术在scCO2作用体系中的应用以及前景。     

超临界CO2技术制备微孔聚合物中的基本问题

微发泡聚合物材料以环境友好的超临界CO₂为发泡剂, 具有优异的材料性能. 本文对本课题组的研究工作做了归纳总结, 对聚合物微发泡中CO₂的传质、微发泡过程中泡孔结构参数的变化以及多相/多组分聚合物体系的微发泡行为等内容做了针对性的综述. 结合对聚合物微发泡过程理论模拟研究工作的评述, 展望了超临界CO₂微发泡技术未来的发展方向.     

Ag2CO3/BiVO4复合微米片光催化剂的制备、表征及光催化机理

采用水热法制备粒径为1~2 μm的BiVO₄微米片,然后在微米片表面沉积不同含量的Ag₂CO₃颗粒,制备Ag₂CO₃/BiVO₄复合微米片光催化剂。利用X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、红外光谱（FTIR）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致发光（PL）光谱、瞬态光电流-时间响应对催化剂进行表征。以可见光为光源,罗丹明B为降解对象进行光催化活性测试。结果表明,复合适量Ag₂CO₃有利于提高光催化剂的比表面积,改善催化剂的表面性能。活性测试结果表明,当复合10%（w/w）Ag₂CO₃时,Ag₂CO₃/BiVO₄光催化活性最佳,比纯BiVO₄提高4.4倍。光致发光（PL）光谱、瞬态光电流-时间响应测试结果表明,复合Ag₂CO₃能有效抑制光生电子与空穴的复合。自由基捕获实验结果表明,该体系的活性氧物质为空穴和羟基自由基。Ag₂CO₃/BiVO₄复合光催化剂活性提高的原因,是较宽带隙的Ag₂CO₃与较窄带隙的BiVO₄形成的异质结有效抑制了光生电子与空穴的复合,同时两者适宜的能带结构保证产生更多的空穴,从而具有更强的氧化能力。     

一种基于乙二胺-丁二醇体系的新颖的二氧化碳捕集利用方法

在温和条件下,发展了一种以丁二醇-乙二胺体系新颖、高效地固定CO₂的方法。在此方法中,CO₂被快速激活并转化为一种固态的CO₂储集材料（CO₂SM）,通过XPS、XRD、FTIR和¹³C NMR等技术表征证实为烷基碳酸胺。基于TGA结果,CO₂SM的水溶液可以与Ca（OH）₂和Ba（OH）₂反应制备CaCO₃和BaCO₃微粒,还可用于循环吸收和解吸CO₂的过程。此外,丁二醇-乙二胺水溶液在20 ℃下吸收CO₂并在98.6 ℃下解吸CO₂,没有明显的溶液损失。因此,丁二醇-乙二胺体系提供了一种绿色、高效、低成本的二氧化碳捕集利用方法。     

复合碳纳米管增强纳米Ag2CO3的可见光催化活性和稳定性

在二甲基甲酰胺溶液中, 通过简单的沉淀法制备了纳米Ag₂CO₃和碳纳米管(CNT)的复合物. 用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、扫描电镜(SEM)和紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱(DRS)表征了所制备的Ag₂CO₃/CNT复合物, 通过在可见光下降解甲基橙(MO)检测了样品的光催化活性. 结果表明, 纳米Ag₂CO₃颗粒与CNT结合良好. CNT的含量为1.5% (w)的Ag₂CO₃/1.5% CNT复合物活性最高, 经过60 min 的降解, 甲基橙的降解率达到93%. 与纯相纳米Ag₂CO₃比较, CNT的加入还提高了Ag₂CO₃的稳定性, 经过三次循环降解, Ag₂CO₃/1.5% CNT复合物还能降解81%的甲基橙, 而纳米Ag₂CO₃只能降解59.5%的甲基橙. 其活性和稳定性提高的原因是由于CNT的高导电性, 它不仅促进了电子-空穴对的分离, 还能快速转移产生的光生电子.     

一种基于乙二胺-丁二醇体系的新颖的二氧化碳捕集利用方法

在温和条件下,发展了一种以丁二醇-乙二胺体系新颖、高效地固定CO₂的方法。在此方法中,CO₂被快速激活并转化为一种固态的CO₂储集材料(CO₂SM),通过XPS、XRD、FTIR和¹³C NMR等技术表征证实为烷基碳酸胺。基于TGA结果,CO₂SM的水溶液可以与Ca(OH)₂和Ba(OH)₂反应制备CaCO₃和BaCO₃微粒,还可用于循环吸收和解吸CO₂的过程。此外,丁二醇-乙二胺水溶液在20℃下吸收CO₂并在98.6℃下解吸CO₂,没有明显的溶液损失。因此,丁二醇-乙二胺体系提供了一种绿色、高效、低成本的二氧化碳捕集利用方法。     

乙二胺改性轻金属铝-金属有机骨架材料用于CO2/CH4分离

胺类分子在CO₂的捕获中可以起到选择性提升的作用,本文选择小尺寸的乙二胺分子对具有不饱和金属位点的轻金属铝基金属有机骨架（Al-MOFs）材料MIL-100Al进行改性,利用XRD、N₂吸附和FT-IR等对改性材料的结构进行表征,测试了不同浓度的乙二胺改性的MIL-100Al对CO₂和CH₄吸附性能。结果表明,与原始的MIL-100Al材料相比,改性后的材料对CO₂吸附量有明显提高,CH₄的吸附量却降低,从而进一步提高了材料的CO₂/CH₄吸附选择性,提升了吸附分离的效果。     

K2CO3含量对Ni-Cu-Mn-K/Al2O3水煤气变换催化剂结构和性能的影响

以γ-Al₂O₃为载体，采用等体积浸渍法，制备了不同K₂CO₃含量的Ni-Cu-Mn-K/Al₂O₃水煤气变换催化剂，采用低温N₂吸附、XRD、TPD和TPR，考察了K₂CO₃含量对催化剂结构和性能的影响。结果表明:K₂CO₃的加入使催化剂的还原温度有所提高，适量的K₂CO₃能增加活性组分的电子密度，从而增强其给电子活化CO的能力，提高催化剂的活性。但过量的K₂CO₃使得催化剂比表面积和孔容降低，且导致催化剂对CO吸附过强，催化活性降低。当Ni-Cu-Mn-K/γ-Al₂O₃催化剂中K₂CO₃的添加量为7.5%时，且催化剂经530 ℃耐热15 h后，在350 ℃时水煤气变换反应中CO转化率达62.29%。     

片状纳米结构CeO2晶体的制备及其吸附CO2性能

在室温下,将CeCl₃溶液与CO₂储存材料（CO₂SM）混合、搅拌0.5 h制备了片状碳酸铈前驱体（CCPs）,并在500℃下煅烧CCPs 4 h,制得平均尺寸为4.94 μm×0.92 μm,厚度为0.04~0.08 μm纳米结构片状CeO₂晶体。在此过程中,CO₂SM不但可以提供CO₃^2-,还能起到分散剂和结构导向剂的作用。反应过程中,系统地研究了CO₂SM用量、Ce³⁺浓度和搅拌时间3个因素对CCPs形态和大小的影响,得到最优制备条件：0.1 g CO₂SM和50 mL 0.03 mol·L^-1 Ce³⁺水溶液以1 000 r·min^-1转速在室温下搅拌0.5 h。煅烧CCPs后,所制备的片状CeO₂晶体在室温下CO₂吸附量可达0.554 mmol·g^-1。     

PSS辅助水热合成分级结构纳米γ-Al2O3及其CO2吸附性能增强

以AlCl₃·6H₂O为铝源、CH₃COOK为沉淀剂、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)为结构调节剂,采用温和水热焙烧法成功地制备了系列对CO₂吸附性能增强的分级结构纳米γ-Al₂O₃。采用XRD、SEM和N₂吸附-脱附等手段,对比研究了PSS浓度对产物物相结构、形貌、织构性质及其在室温下对CO₂吸附性能的影响。研究表明,PSS对产物形貌、织构性质及其CO₂吸附性能具有明显的调控作用。不添加PSS时产物表现为不规则的块状粒子,PSS浓度依次增加到2、4和6 g·L^-1后,产物分别表现为不规则的棒状团簇体微米级粒子、类球形棒状团簇体微米级粒子、相互交织的纤维状微米级粒子,并且其比表面积和孔容逐渐增加;添加PSS后产物的CO₂吸附量增加、吸附动力学加快,尤其是PSS浓度为6 g·L^-1时,相应产物的最高吸附量为0.68 mmol·g^-1,6次循环再生后其吸附量仍基本保持稳定。     

Synthesis of cellulose carbamate by supercritical CO2-assisted impregnation: Structure and rheological properties

Cellulose carbamate, an environmentally friendly material presents an interesting alternative to petroleum-based polymers because of its renewable, biodegradable, biocompatible nature and its solubility in conventional solvents. In synthesis process of cellulose carbamate, urea was firstly impregnated into the cellulose pulp by supercritical CO₂(scCO₂), followed by the esterification of cellulose. The structure of cellulose carbamate was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The rheological properties of these cellulose carbamates in 9% sodium hydroxide solution were investigated, using a range of the nitrogen content, concentrations and shear rates.     

Transport properties of PVA/PEI/PEG composite membranes: sorption and permeation characterizations

Poly(vinylalcohol)/poly(ethyleneglycol)/poly(ethyleneimine) blend membranes were prepared by solution casting followed by solvent evaporation. The chemical structure of the prepared membranes was analyzed by FTIR and DSC. The sorption behavior as well as the permeabilities of the membranes for pure CO₂ and N₂ were investigated. The results show that the PVA/PEI/PEG membranes possess a higher permeability of CO₂ and a lower permeability of N₂. The membrane displays a CO₂ permeability of 27 Barrer, and a N₂ permeability of 3 Barrer at 25°C and 1 bar. CO₂ sorption behavior of the composite membrane, which can be classified as a dual-mode sorption model, and N₂ sorption behavior of the copolymeric membrane is in agreement with the Fickian diffusion model.      

碳氢表面活性剂在超临界CO2中形成微乳液的研究进展

在超临界CO₂中形成微乳液可以克服CO₂对高分子量和亲水性物质溶解能力差的缺点。碳氢表面活性剂成本低,对环境友好,利用碳氢表面活性剂形成超临界CO₂微乳液有利于工业应用,但绝大部分碳氢表面活性剂不能形成微乳液,所以需要对碳氢表面活性剂进行选择和设计。本文介绍了微乳液的形成、表征和评价,从表面活性剂的亲CO₂性能和界面活性两方面,综述了碳氢表面活性剂的设计思想和进展。另外介绍了助表面活性剂对形成超临界CO₂微乳液的作用,并对常规碳氢表面活性剂在助表面活性剂的作用下形成超临界CO₂微乳液的体系进行了综述。最后,介绍了含碳氢表面活性剂的混合表面活性剂在形成超临界CO₂微乳液方面的研究情况。     

Transesterification and polymerization reactions of aliphatic polyesters in supercritical CO2 fluids without the presence of a catalyst

The reactions or stability of two crystalline polycaprolactones (PCL) and one amorphous poly(d,l-lactic acid) (dl-PLA) in supercritical CO₂ fluid (scCO₂) at 35 °C and 34.5 MPa without the presence of a catalyst were investigated using gel permeation chromatography (GPC), nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), and differential scanning calorimetry (DSC). The two PCLs having 80,000 and 10,000 in number average molecular weights (), denoted by PCL8 and PCL1, respectively, and dl-PLA having 74,000 in were studied. Carbon 13 NMR data found these polyesters no formation of carbonate linkages after treatments in scCO₂, indicating that the CO₂ did not copolymerize with the PCLs and dl-PLA. GPC data found that the molecular weights of PCL8/PCL1 blends considerably varied with the treatment time while the components of the blends negligibly changed throughout 6 h of treatments in scCO₂. These GPC data suggested that transesterification reactions occurred between PCL8 and PCL1. DSC data found that PCL8 co-crystallized with PCL1 and the treatments enhanced the melting temperatures and crystallinities of the blends. GPC data also found that the molecular weights of dl-PLA and PCL8/dl-PLA blends considerably varied with the treatment time in scCO₂. From the variations of molecular weights, it could be suggested that transesterifications and polymerizations both occurred in the PCL8/dl-PLA blends, with the polymerizations predominating over the transesterifications. This predomination in polymerizations lowered with increasing PCL8 content in the blends. DSC data found that the amorphous dl-PLA could be induced to crystallize by scCO₂, giving a heating endotherm at near 122 °C. Following scCO₂ treatments, enhancements of the melting temperature and crystallinity of PCL8 in the PCL8/dl-PLA blends were found, although these enhancements fluctuated with the treatment time.     

Sorption and swelling of poly(DL‐lactic acid) and poly(lactic‐co‐glycolic acid) in supercritical CO2: An experimental and modeling study

Tissue engineering scaffolds require a controlled pore size and structure to host tissue formation from cell populations. Supercritical carbon dioxide (scCO₂) processing can be used to form porous scaffolds in which the escape of CO₂ from a plasticized polymer melt generates gas bubbles that shape the pores. The process is difficult to control with respect to changes in final pore size, porosity, and interconnectivity, while the solubility of CO₂ in the polymers strongly affects the foaming process. An in‐depth understanding of polymer CO₂ interaction will enable a successful scaffold processing. Amorphous poly(DL ‐lactic acid) (P_DL LA) and poly(lactic acid‐co‐glycolic acid) (PLGA) polymers are attractive candidates for fabricating scaffolds. In this study, CO₂ sorption and swelling isotherms at 35 °C and up to 200 bar on a variety of homo‐ and copolymers of lactic acid and glycolic acids are presented. Sorption is measured through a gravimetric technique using a suspension microbalance and swelling by visualization. The obtained results are modeled using the Sanchez‐Lacombe equation of state. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 46: 483–496, 2008     

聚乙烯亚胺修饰的氧化硅纳米管基吸附剂的制备及其CO_2吸附应用

以P123为模板,1,2-二(三甲氧基硅基)乙烷(BTME)为硅源合成了介孔氧化硅纳米管(E-SNTs).将ESNTs经过聚乙烯亚胺(PEI)修饰后制得吸附剂用于捕捉CO2.对吸附剂进行了透射电镜(TEM)、物理吸附、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重分析(TGA)等表征.E-SNTs-PEI吸附剂的最佳CO2吸附温度为75°C.吸附剂的CO2吸附量随着PEI负载量的增加呈现先增大后减小的趋势,其中50%为最佳负载量,此时吸附剂的吸附量最大为3.32 mmol·g-1.相比较SBA-15基吸附剂,E-SNTs基吸附剂具有更优异的吸附性能.在有水汽的存在下,吸附剂E-SNTs-50的CO2吸附量达到3.75 mmol·g-1.经过四次循环吸脱附实验测试E-SNTs-PEI吸附剂的稳定性能,结果表明其CO2吸附量基本不变,该吸附剂表现出较好的稳定性和可再生能力.     

红外光谱电化学研究金电极表面上CO2的还原

以碳酸丙烯酯(PrC)为溶剂,高氯酸四丁基胺(TBAP)为电解质,利用电化学及红外光谱电化学开展了金电极上二氧化碳的还原研究。运用现场红外光谱跟踪电化学还原过程反应物及产物的生成和消失。红外光谱电化学循环伏吸法表明,在消耗CO2的同时,金电极上有CO的产生,且伴随有碳酸根的形成。结合电化学和光谱电化学结果,提出了一种电还原机理:在非水介质中,CO2电还原过程中生成了中间体CO2.-,随后CO2.-分别以两个途径进行还原,其一是直接被还原成CO,其二是与CO2结合生成C2O4.-而后歧化成CO以及CO32-。两个反应同时进行,且第一个反应是可逆过程。     

源自密胺基多孔聚合物的富氮微孔炭及选择性吸附CO_2

以间苯二甲醛和三聚氰胺为原料,通过Schiff碱缩合反应合成了密胺基多孔聚合物(POP),经高温炭化后得到富氮微孔炭(NMC).利用N2吸脱附和傅里叶变换红外(FTIR)光谱表征了POP和炭化后产物NMC的结构和组成,与POP相比,NMC的官能团数量减少,比表面积和微孔孔容大幅增加.元素分析表明NMC含氮量高达12.5%(w).采用体积法测定了CO2、CH4和N2在NMC上的单组分吸附平衡等温线,NMC展示出良好的CO2吸附性能,298 K、100 kPa下CO2平衡吸附量可达2.34 mmol·g-1.双位Langmuir(DSL)模型和单位Langmuir(SSL)模型分别较好地描述了CO2、CH4和N2在NMC上的吸附平衡数据,在此基础上,应用理想吸附溶液理论(IAST)预测了双组分混合气在NMC上的吸附等温线,结果表明NMC对CO2-N2和CO2-CH4有非常高的CO2吸附选择性,分别为144.9和12.8.     

五乙烯六胺修饰的MCF基吸附剂的制备及其CO2吸附性能研究

以三嵌段共聚物P123 (EO₂₀-PO₇₀-EO₂₀)为模板剂合成了介孔泡沫氧化硅(MCF)材料. MCF经过五乙烯六胺(PEHA)修饰后用于捕捉CO₂. 采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、N2吸附-脱附、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重分析(TGA)对MCF和MCF-PEHA进行了表征. 结果表明, PEHA对MCF改性后, 并没有破坏MCF载体本身的结构. MCF-PEHA的CO₂吸附量在75℃时达到最大. 随着PEHA含量的增加, MCF-PEHA的CO₂吸附量呈先增大后减小的趋势, 当PEHA含量为70% (w)时, CO₂吸附量达到最大, 为3.55 mmol·g^-1. 水汽促进了吸附剂的CO₂吸附性能. 研究结果还表明, MCF-70吸附剂经过四次吸脱附循环, 吸附性能基本保持不变, 表现出很好的可再生性能.