不同物料和炭化方式制备生物炭结构性质的FTIR研究

红外光谱是了解生物炭结构性质特征的重要手段。通过采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)对不同物料和制备方式的生物炭结构性质特征进行表征。结果表明：不同的物料制备的生物炭均具有羟基、芳香基及一些含氧基团的吸收峰,与活性碳有共同特征;但其他吸收峰,有着显著差异。高温炭化可以使玉米秸秆中—OH,—CH₃,—CH₂—,CO间发生缔合或消除,促进了芳香基团的形成。在不同炭化方式下,加热和微波炭化,对生物炭形成有着机理上差别,加热炭化可致使醇、酚中的—OH彼此结合或者消除,形成苯环类基团,而微波法能使得芳香基团钝化阻止其参与反应,使得苯环类物质得以更多形成。综上表明,红外光谱可较好反映生物炭的结构特征,揭示了生物炭主要含有—OH、芳香基团等活性基团。     

碳酸钙在水溶性甲壳素溶液中的结晶行为

依据生物矿化基本原理,以甲壳素作为有机基质,探讨了在不同浓度甲壳素溶液中CaCO3晶体的生长情况;同时研究了生长体系的pH值和温度对生成CaCO₃晶体的影响。通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜进行表征的结果表明,甲壳素溶液中形成的CaCO₃晶体完全不同于纯水中形成的晶体;而且甲壳素溶液的浓度不同,形成的CaCO₃晶体的晶型也有较大差别。在CaCO₃结晶过程中,CaCO₃对甲壳素也有影响,即晶体与甲壳素之间存在相互作用。     

氧化无烟煤的谱学研究

变质程度高、碳含量高的无烟煤是生产活性炭的主要煤种。无烟煤的结构特征在其材料方向开发利用中起着决定性作用,可以通过化学氧化的方法对煤的结构进行定向优化。以云南昭通地区天然高碳低灰无烟煤为原料,采用硝酸/硫酸酸浸氧化法制备了氧化无烟煤。使用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)对产物进行结构和谱学特征研究。结果表明, 无烟煤具有介于石墨和无定形碳之间的类石墨微晶结构;相较于烟煤和褐煤,无烟煤微晶堆叠高度(L_c)、微晶直径(L_a)较大,结构有序度介于低变质煤和石墨之间。无烟煤的氧化经过两个主要过程,微晶片层边缘被氧化卷曲破坏引起片层平均直径L_a减小。新的CO键在片层边缘生成,硫酸与硝酸进入片层边缘层间域。H₂SO₄和HNO₃作为插层剂进入无烟煤微晶碳中,层间距d₍₀₀₂₎由原煤的0.351 nm增长到了0.361 nm。原有的微晶片层被剥离开,微晶片层的堆叠层数,由6下降到4.5,Raman光谱中I_D1/I_G相较于原煤增大(1.9→2.0),G峰的半峰宽(FWHM)升高(63→68),D₂峰的强度提高(10.26→13.78)。大量新的—C—O—,CO和—NO₂键生成,富氧程度参数大幅提高(0.11→0.42)。经过混酸处理的氧化无烟煤,芳香度f_a提高,结构有序度降低,新增了大量反应活性点,在无烟煤基多孔炭材料开发等领域具有很大潜力。     

热重红外光谱法考察木质生物质综纤维素热转化特性

热重红外光谱联用考察了木质生物质纤维素、半纤维素以及综纤维素的热转化特性,并与微晶纤维素和木聚糖等模型化合物进行了对比分析。应用三维扩散模型计算了活化能、指前因子等热转化动力学参数,拟合效果良好。通过分析气相产物三维IR图谱,在最大失重速率附近,观察到了H₂O,CO,CO₂,CH₄和含氧化合物的明显特征峰。讨论了主要气体产物可能的生成途径,发现其产量顺序为CO₂>H₂O>CO≈CH₄。综合分析得出,综纤维素的热转化过程是纤维素主导下、纤维素和半纤维素综合作用的结果。     

生物柴油/柴油颗粒的拉曼光谱分析

为了进一步降低柴油机燃用生物柴油的颗粒排放,利用激光拉曼光谱技术,研究了柴油机应用废气再循环(EGR)前后,燃烧柴油(B0)、生物柴油(B100)及其调和油(B50)的颗粒微观结构,采用五带拟合法对一阶拉曼光谱进行拟合,并计算了颗粒石墨微晶尺寸和石墨晶格C—C键长。结果表明：随着生物柴油掺混比的增加,颗粒D1带的半高宽增加,颗粒化学异相性增强;I_D1/I_G逐渐减小,颗粒中有序石墨结构含量增加,石墨化程度提高。引入EGR会使得颗粒D1带的半高宽增加,颗粒化学异相性增强;I_D1/I_G升高,颗粒有序石墨结构含量减少,石墨化程度降低,B0,B50和B100颗粒的I_D1/I_G在应用EGR前后分别降低了约8.5%,10.6%和11.8%。六种颗粒的缺陷类型主要属于石墨烯层边缘缺陷,掺混生物柴油和引入EGR均会使得颗粒碳层边缘缺陷浓度增加,颗粒中挥发性有机物的官能团含量增加,增强了颗粒氧化活性。掺混生物柴油使得颗粒石墨微晶尺寸增加,EGR使得颗粒石墨微晶尺寸减小,生物柴油和EGR对柴油机颗粒石墨晶格C—C键长影响不大,C—C键长约为0.142 nm。     

拉曼光谱法研究纳米结构多孔ZnO微球的合成机理

利用拉曼光谱方法,对柠檬酸钠辅助水热合成纳米结构多孔ZnO微球的机理进行了研究。样品的拉曼光谱特征显示,多孔ZnO微球中存在Zn-柠檬酸配合物;分析表明反应溶液中柠檬酸钠水解产生的柠檬酸根与Zn2+结合形成Zn-柠檬酸配合物,该配合物化学吸附在Zn(OH)₂晶核的(204)和(503)晶面,使Zn(OH)₂晶核择优生长形成纳米薄片状结构;水热过程中Zn(OH)₂微晶团聚形成纳米片状结构多孔Zn(OH)₂微球并以沉淀析出。研究发现吸附在薄片表面的Zn-柠檬酸配合物提高了Zn(OH)₂微晶的热稳定性,使得Zn(OH)₂的分解温度高于200 ℃,加热到300 ℃后Zn(OH)₂完全分解获得纳米结构多孔ZnO微球。     

热处理竹材的化学成分傅里叶变换红外光谱分析

化学热处理是实现可再生木质生物能源中纤维素高效利用及半纤维素糖化转换的关键步骤。通过预处理过程可以快速去除难溶木质素,实现细胞壁中半纤维素的物理化分离,使得植物细胞壁中化学成分发生变化,从而增加木质纤维素的产出量。以硫酸(H₂SO₄)、稀碱(NaOH)及甘油(glycerol)为预处理介质,采用不同的热处理温度(硫酸(H₂SO₄)、稀碱(NaOH)热处理温度为117和135 ℃;甘油(glycerol)热处理温度为117 ℃)),对竹材处理前后的主要化学组分进行对比分析,并通过傅里叶变换红外光谱进一步证实化学热处理前后竹材化学组分的变化,以获得不同的化学热处理介入下竹材化学成分转换的主要变化规律和机理。结果表明：热化学处理后竹材的纤维素产出量明显增加。纤维素得率及木质素的去除率在不同的处理介质条件下的变化规律为,稀碱(NaOH)处理效果优于稀酸(H₂SO₄)和甘油(glycerol);此外,在相同介质条件下135 ℃热处理效果比117 ℃热处理效果显著。对于不同处理条件的半纤维素的降解程度大小变化结果与此相同。通过红外光谱分析可知,热处理后纤维素环状C-O-C不对称伸缩振动峰出现峰值分解,半纤维素的红外吸收特征峰出现明显陡降变化,木质素苯环特征吸收峰明显减弱,证明纤维素产出量明显增加,半纤维素降解趋势明显,木质素去除效果良好。傅里叶红外变换光谱分析结果与标准测定结果一致。     

CVD法SiC纤维表面碳涂层结构的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对以C₂H₂+H₂和C₂H₂+C₃H₈+Ar为反应气体,通过直流加热化学气相沉积工艺在SiC纤维表面制备的碳涂层的微观结构及断口形貌进行了研究。结果表明,两种碳涂层的拉曼光谱中1 350,1 400～1 500和1 600 cm-1附近均观察到D,D”和G特征峰的存在。碳涂层具有类似石墨的片层结构,结构中微晶的排列显示出一定的无序性,并含有少量非晶态碳。随着沉积温度的升高,微晶尺寸有所增加,结构中的均匀性和有序度也得到改善。断口观察发现,采用C₂H₂+H₂制备的碳涂层平整、致密;而由C₂H₂+C₃H₈+Ar得到的碳涂层呈曲折的层片状。分析表明,这主要与结构中的有序度和均匀性有关。     

化学处理水稻秸秆水溶性有机物的光谱特征研究

采用紫外(UV)、傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振(1H和13C NMR)分析技术对13C标记水稻秸秆化学处理过程中的水溶性有机物进行了研究。由光谱变化的分析可见,随着化学处理的进行,水稻秸秆DOM中甲基、亚甲基含量逐渐降低,脂肪性降低;含芳环的化合物逐渐分解,芳香性降低;碳水化合物分解一部分形成碳酸盐类物质,另一部分形成CO₂和H₂O;羧酸和羧酸脂类化合物形成羧酸盐类物质;有机成分中的无机元素硅释放出来,形成硅酸盐类的无机硅氧化合物;DOM中的氮素以铵盐的形式存在并逐渐积累。     

基于热重红外联用分析的生物质热裂解机理研究

利用热重红外联用技术在线分析研究了白松在不同升温速率下的热裂解行为,结果表明木材的热裂解可归结于纤维素、半纤维素和木质素三种主要组分的热裂解。白松的热裂解产物主要有酸类、醇类、醛类、酮类、酯类、水分和小分子气体等。在线红外分析结果表明白松热裂解过程中先析出游离水,随后发生解聚和脱水反应,主要的苷键和碳碳键断开形成各种烃类、醇类、醛类和酸类等物质,随后,这些大分子物质又二次降解为一氧化碳为主的气体产物。     

全谱拟合法研究聚丙烯腈基碳纤维形成过程中晶态结构演变

通过全谱拟合法对碳纤维制备过程中不同阶段纤维的XRD谱图进行处理,得到不同阶段纤维的微观结构参数,研究了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备过程中晶态结构的演变.全谱拟合法基于晶体衍射的严格物理理论,拟合目标为整个衍射谱,并不是个别衍射峰,所得结果具有更高的可信度.研究结果表明:PAN原丝中的高分子链沿纤维轴高度取向,表观晶粒尺寸为6.5 nm左右;经过预氧化处理,纤维中的有序结构遭到破坏,表观晶粒尺寸锐减.纤维中逐渐形成梯形结构并沿纤维轴取向,从而形成新的有序结构;经过碳化处理后,环状梯形结构转变为碳的层状结 关键词： 碳纤维 晶体结构 XRD 全谱拟合法     

纳米多孔碳气凝胶的储氢性能

 以间苯二酚和甲醛为原料,采用溶胶-凝胶工艺,结合高温碳化和溶剂替换常压干燥技术,制备了碳气凝胶。通过改变间苯二酚与碳酸钠的物质的量比和反应物间苯二酚与甲醛的质量分数,实现对碳气凝胶孔洞结构的控制。制备了钯掺杂碳气凝胶。以透射电镜、X射线衍射谱证实了钯元素以纳米单质颗粒形式存在于碳气凝胶的骨架结构中。对掺杂碳气凝胶进行了活化工艺的后处理,成功提高了比表面积有2倍之多,获得了比表面积为1 273 m²/g的钯掺杂碳气凝胶。氢吸附性能研究结果表明：最优活化工艺所得的碳气凝胶样品（3 212 m²/g）在92 K,3.5 MPa条件下的饱和储氢质量分数为3%,此样品在303 K,3.2 MPa时的储氢质量分数为0.84%。对钯掺杂碳气凝胶的常温（303 K）氢吸附测试表明,掺杂后碳气凝胶的总储氢质量分数下降了,但单位比表面积的储氢质量分数提高了。     

不同炭化条件下炭化物的结构与性能表征

采用不同炭化工艺对杉木木屑进行热解,用拉曼光谱、X射线衍射技术对炭化物的微晶结构进行研究,揭示了其中的演变规律与形成特点。研究表明炭化条件对炭化物石墨化程度、微晶结构等影响较大,700 ℃是关键的炭化温度。从炭化物的石墨状微晶的形成与生长来看,二步炭化法比一步法好;不加盖炭化法比加盖法好;氛围气为空气的比氮气好;保温时间长的试样石墨化程度高。     

C and O stable isotopic signatures of fast-growing dripstones on alkaline substrates: reflection of growth mechanism, carbonate sources and environmental conditions

Secondary carbonate precipitates (dripstones) formed on concrete surfaces in four different environments--Mediterranean and continental open-space and indoor environments (inside a building and in a karstic cave)--were studied. The fabric of dripstones depends upon water supply, pH of mother solution and carbonate-resulting precipitation rate. Very low δ(13)C (average-28.2‰) and δ(18)O (average-18.4‰) values showed a strong positive correlation, typical for carbonate precipitated by rapid dissolution of CO(2) in a highly alkaline solution and consequent disequilibrium precipitation of CaCO(3). The main source of carbon is atmospheric or biogenic CO(2) in the poorly ventilated karstic cave, which is reflected in even lower δ(13)C values. Statistical analysis of δ(13)C and δ(18)O values of the four groups of samples showed that the governing factor of isotope fractionation is not the temperature, but rather the precipitation rate.     

Preparation of nanocrystalline cellulose via ultrasound and its reinforcement capability for poly(vinyl alcohol) composites

Rod-shaped nanocrystalline cellulose (NCC) was prepared from microcrystalline cellulose (MCC) using the purely physical method of high-intensity ultrasonication. Scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction was used for the characterization of the morphology and crystal structure of the material. The thermal properties were investigated using thermogravimetric analysis. The reinforcement capabilities of the obtained NCC were investigated by adding it to poly(vinyl alcohol) (PVA) via the solution casting method. The results revealed that the prepared NCC had a rod-shaped structure, with diameters between 10 and 20 nm and lengths between 50 and 250 nm. X-ray diffraction results indicated that the NCC had the cellulose I crystal structure similar to that of MCC. The crystallinity of the NCC decreased with increasing ultrasonication time. The ultrasonic effect was non-selective, which means it can remove amorphous cellulose and crystalline cellulose. Because of the nanoscale size and large number of free-end chains, the NCC degraded at a slightly lower temperature, which resulted in increased char residue (9.6-16.1%), compared with that of the MCC (6.2%). The storage modulus of the nanocomposite films were significantly improved compared with that of pure PVA films. The modulus of PVA with 8 wt.% NCC was 2.40× larger than that of pure PVA.     

托贝莫来石晶体的高温相变规律研究

通过差热分析(TGA/DSC)、X射线衍射分析(XRD)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)等测试技术,对实验室制备的纯净托贝莫来石的高温相变规律进行系统的研究。DSC结果表明,托贝莫来石结构中有四个层间分子水,加热到300 ℃时四个层间分子水逐渐失去。当温度升高到724 ℃时,部分Si—O—H键断裂,失去羟基。XRD结果表明托贝莫来石晶体结构在724 ℃时已经破坏,衍射峰基本消失,煅烧后的样品为无定形的非晶态。当温度持续升高到861 ℃时,发生晶型重构,硅灰石晶体出现,结构转变为有序的、稳定的晶体结构。当温度到达1 000 ℃的时候,完全转变为2M型硅灰石晶体结构。托贝莫来石的高温相变经历了“托贝莫来石→脱水托贝莫来石→脱羟基托贝莫来石→硅灰石”一系列转变过程。     

Effects of carbonization and substrate temperature on the growth of 3C-SiC on Si(1 1 1) by SSMBE

The growth of 3C-SiC on Si(1 1 1) substrate was performed at different carbonization temperatures and substrate temperatures by solid-source molecular beam epitaxy (SSMBE). The properties of SiC film were analyzed with in situ reflection high energy electron diffraction (RHEED), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The best carbonization temperature of 810 °C was found to be optimal for the surface carbonization. The quality of SiC film grown on Si at substrate temperature of 1000 °C is best. The worse crystalline quality for the sample grown at higher temperature was attributed to the large mismatch of thermal expansion coefficient between SiC and Si which caused more dislocation when sample was cooled down to room temperature from higher substrate temperature. Furthermore, the larger size of single pit and the total area of the pits make the quality of SiC films grown at higher temperature worse. More Si atoms for the sample grown at lower temperature were responsible for the degradation of crystalline quality for the sample grown at lower temperature.     

Tb~(3+)掺杂含SrF_2纳米晶硅酸盐微晶玻璃的光谱性质

通过高温熔融法和后续热处理制得Tb~(3+)掺杂含SrF_2纳米晶的透明硅酸盐微晶玻璃。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见透过光谱、荧光光谱、荧光寿命和X射线激发发光光谱(XEL)探讨了基础玻璃和微晶玻璃的结构和光谱特性。XRD结果表明,玻璃中析出晶体为SrF_2纳米晶,衍射峰随着热处理温度的升高和时间的延长而逐渐明显,晶粒也随热处理温度的升高和时间的延长越来越大。在376 nm紫外光和X射线激发下,与基础玻璃相比,微晶玻璃发光显著增强,且发光强度随热处理温度的升高和时间的延长而逐渐增强。     

XRD与NMR的热处理竹材结晶性能研究

木质纤维素的结晶度研究方法较多,但目前观点不一。采用三种不同的热处理方法(稀酸,碱及甘油高温处理)并基于X射线衍射(XRD)和固体核磁共振技术(CP/MAS 13 NMR),综合研究竹材结晶度变化规律,通过X射线衍射参数及高斯函数曲线分析结晶纤维素C-4区域的信号面积分析,获得不同的化学热处理介入下竹材化学成分及结晶度变化机理。结果表明:经过化学热处理后,竹材的结晶度指数总体增加,碱处理002峰尖锐程度增大,并向大角度方向偏移明显,002晶面宽度变大,结晶区层间距尺度变小。CP/MAS 13 NMR与XRD结果基本一致,但是计算值偏小。未处理竹材在84.6ppm信号处分裂成两个峰顶,88.7和83.1ppm,,表明C-4在热处理过程中发生了从纤维素Ⅰ~Ⅱ的化学转换,从化学结构变化的角度证明了碱处理可以有效破坏竹子纤维之间的内结合阻力,并产生高度活性纤维素,对于实现木质纤维素原料的高效生物转化利用提供指导。     

Surface functionalization of carbon nanofibers by sol-gel coating of zinc oxide

In this paper the functional carbon nanofibers were prepared by the carbonization of ZnO coated PAN nanofibers to expand the potential applications of carbon nanofibers. Polyacrylonitrile (PAN) nanofibers were obtained by electrospinning. The electrospun PAN nanofibers were then used as substrates for depositing the functional layer of zinc oxide (ZnO) on the PAN nanofiber surfaces by sol-gel technique. The effects of coating, pre-oxidation and carbonization on the surface morphology and structures of the nanofibers were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) and Scanning electron microscopy (SEM), respectively. The results of SEM showed a significant increase of the size of ZnO nanograins on the surface of nanofibers after the treatments of coating, pre-oxidation and carbonization. The observations by SEM also revealed that ZnO nanoclusters were firmly and clearly distributed on the surface of the carbon nanofibers. FTIR examination also confirmed the deposition of ZnO on the surface of carbon nanofibers. The XRD analysis indicated that the crystal structure of ZnO nanograins on the surface of carbon nanofibers.