碳热还原温度对耐高温纤维增强碳化硅多孔材料组织结构的影响

本研究目的是开发一种耐高温纤维增强碳化硅多孔块状材料。以纤维增强间苯二酚-甲醛/氧化硅复合气凝胶为前驱体,经过1300~1500℃碳热还原制备了纤维增强碳化硅多孔材料。采用XRD、SEM、TEM、氮气吸附孔结构分析仪和压汞仪对纤维增强碳化硅多孔材料的物相组成、微观形貌和孔结构进行了表征,结果表明：纤维增强碳化硅多孔材料由β-SiC和莫来石纤维组成,随着碳热还原温度的升高,样品中的SiC纳米晶颗粒团聚成大块,最终在1500℃生成SiC晶须,升高碳热还原温度会导致样品中大孔的增多和纳米孔的消失以及比表面积的降低。热分析结果表明纤维增强碳化硅多孔材料在空气中的耐温性高达1300℃。纤维增强碳化硅多孔材料的密度为0.330~0.345g·cm^-3,孔隙率在89%以上,室温下热导率为0.06~0.07W·m^-1·K^-1。     

碳热还原温度对耐高温纤维增强碳化硅多孔材料组织结构的影响

本研究目的是开发一种耐高温纤维增强碳化硅多孔块状材料。以纤维增强间苯二酚-甲醛/氧化硅复合气凝胶为前驱体,经过1 300~1 500℃碳热还原制备了纤维增强碳化硅多孔材料。采用XRD、SEM、TEM、氮气吸附孔结构分析仪和压汞仪对纤维增强碳化硅多孔材料的物相组成、微观形貌和孔结构进行了表征,结果表明:纤维增强碳化硅多孔材料由β-Si C和莫来石纤维组成,随着碳热还原温度的升高,样品中的Si C纳米晶颗粒团聚成大块,最终在1 500℃生成Si C晶须,升高碳热还原温度会导致样品中大孔的增多和纳米孔的消失以及比表面积的降低。热分析结果表明纤维增强碳化硅多孔材料在空气中的耐温性高达1 300℃。纤维增强碳化硅多孔材料的密度为0.330~0.345 g·cm-3,孔隙率在89%以上,室温下热导率为0.06~0.07 W·m-1·K-1。     

碳热还原制备不同形貌的碳化硅纳米线

以酚醛树脂为碳源，正硅酸乙酯为硅源，硝酸镧和表面活性剂为调控剂，通过溶胶-凝胶和碳热还原反应制备了不同形貌的碳化硅纳米线。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线散射能谱对所制备的碳化硅纳米线进行表征。结果表明，通过此方法所制备的碳化硅纳米线均为立方结构的β-SiC，分别具有直线状、竹节状和链珠状、分枝状等不同形貌。金属催化剂和表面活性剂对碳化硅纳米线的结构和形貌变化有重要影响。     

燃料电池多孔碳载体高石墨化的超快速碳热冲击策略（英文）

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能源转换效率高、清洁环保等优点,是新能源技术的重要发展方向.目前,燃料电池中主要使用的电催化剂是碳载铂或铂合金,碳载体不仅增强催化剂活性,提高贵金属利用率,而且对催化剂的耐久性起着至关重要的影响.但常规的碳载体在燃料电池强腐蚀环境中容易发生腐蚀,进而导致催化剂颗粒脱落和团聚,活性衰减.近年来,研究发现提高碳载体石墨化程度有利于增强载体的耐腐蚀能力,提高催化剂的稳定性.常规的高温热处理难以大幅提高载体的石墨化,且长时间的高温处理易导致原始碳结构的坍塌或转变以及比表面积显著下降.因此,迫切需要发展新的策略或技术经济、高效地提高碳载体的石墨化度,并且保持碳载体原始结构和形貌.本文提出了一种快速且低成本的碳热冲击方法,用于多孔碳材料的石墨化处理,包括碗状碳(BC)、空心碳球、ZIF-8衍生碳和商业炭黑等.其中,以碗状碳为研究对象,即将碗状碳载体与石墨化催化剂氯化铁通过超声共混,干燥后放入加热源碳毡中,通过快速碳热冲击, 3 s内升温至1300 ℃,在该温度保温30 s后, 3 s降至室温,最后酸洗得到高石墨化碗状碳.作为对照,含有氯化铁的碗状碳也在普通管式炉...     

新型多孔催化材料专栏前言（英文）

正Over the last 15-20 years a wide range of new porous catalytic materials has been discovered in the wake of major developments in mesostructured materials and hybrid porous solids such as metal organic frameworks(MOFs).These two developments have both enormous potential to produce catalyst supports and solids.It may be argued that most existing industrial catalysts may be revisited for improvement taking advantage of the novel materials.In both cases new techniques     

电化学还原处理对碳纸形貌和电化学电容的影响（英文）

对电化学还原处理过程中碳纸的形貌和电容的变化进行了研究.扫描电子显微镜观测结果显示电还原使碳纤维分解为碳颗粒,并且表面粗糙度增加.拉曼光谱结果显示ID/IG的比值在还原处理1 min后即出现改变,表明碳纸无序度增加.BET测试结果显示电还原处理后碳纸的比表面积明显增加.X射线光电子能谱结果表明还原处理后碳纸表面羟基的数量随之增加.此外,在-1.6 V下还原5 min后碳纸电容增加到原来的15倍,并在1500个循环的稳定性测试中保持不变,显示出良好的稳定性.     

基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原（英文）

电催化方法还原二氧化碳制备高附加值化学品,在降低二氧化碳浓度、平衡碳循环和储存可再生途径产生的电能等方面展现较大潜力。通过设计高效电催化剂来降低二氧化碳电催化还原过程所需的过电位并提高产物的选择性和电流密度,对电催化还原二氧化碳的发展和应用具有重要意义。本文总结了金属氧化物基材料作为电催化剂在二氧化碳电还原中的最新研究进展,深入探讨了金属氧化物在催化反应中的作用、稳定性及结构性能关系,并对金属氧化物基材料在二氧化碳电还原中未来的设计和研究方向做出思考。     

微波辅助裂解离子液体制备硫氮共掺杂多孔碳材料（英文）

采用一步微波辅助裂解离子液体法制备了硫氮共掺杂多孔碳材料。用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱,拉曼光谱,X射线衍射(XRD),电子显微镜和X射线光电子能谱(XPS)等检测手段对裂解产物的结构和形貌进行了表征。对微波辐照下离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMIm NTf_2)的裂解机理进行了分析。结果表明,微波辐照能够促进EMIm NTf_2的裂解,使其在320°C下裂解得到硫氮共掺杂的多孔碳材料。离子液体EMIm NTf_2的阳离子作为多孔碳材料骨架的前驱体,而阴离子作为硫源和造孔剂。制备的硫氮共掺杂多孔碳材料具有含缺陷的石墨结构。石墨碳基体中氮和硫的原子百分含量分别为12.84%和1.07%,其中N原子主要取代C成为活性点,而S原子主要存在于边界和缺陷处。     

部分氧化碳化硅提高钯催化氧还原反应性能（英文）

燃料电池具有能量转换效率高的优点,是能量转换与储存的高效器件之一.目前,燃料电池阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢,并且催化ORR大量使用铂碳(Pt/C)催化剂,由于Pt储量少,价格高,载体碳材料易发生碳蚀导致催化剂稳定性降低,限制了其进一步商业化应用.钯(Pd)与Pt为同族元素,具有相似的电子结构和化学性质,其储量是Pt的50倍,同时, Pd具有良好的抗甲醇毒性和抗一氧化碳毒性,因此,被视为燃料电池中阴极Pt催化剂的潜在替代品.但商用Pd/C催化剂的ORR活性较Pt/C差,因此,大量的研究工作集中在提高Pd基ORR催化剂的活性方面:将Pd与具有3d轨道的金属形成合金或将Pd负载到不同的载体上.通过选择合适的载体影响Pd的电子结构,从而提高催化剂活性和稳定性,是一种较简单的、有利于规模化生产Pd基ORR催化剂的方法.碳化硅(SiC)具有良好的电化学稳定性、热稳定性、机械强度和较强的供电子能力,可被用作ORR的金属催化剂载体.然而,由于金属与SiC作用较弱,需要制备特殊形貌的SiC或将SiC表面改性;通常,这些SiC基载体的制备过程复杂并且成本高.而在有氧条件下制备、保存或使用SiC时,...     

模板辅助合成氮掺杂的多孔碳基氧还原电催化剂的研究进展（英文）

氮掺杂的多孔碳材料有望能取代当前普遍应用于质子交换膜燃料电池和金属-空气电池阴极中的贵金属氧还原催化剂,因而备受关注.模板辅助合成技术作为一种可靠、通用的方法已经在多孔碳电催化剂的制备中得到了广泛的应用.在碳基ORR电催化剂中,其ORR活性受到诸多因素的影响,如掺杂剂的浓度及其在碳上的分子掺杂态、孔洞结构、比表面积以及碳基材料的导电性等.本文对近期氮掺杂多孔碳电催化剂的设计、制备、功能化及其在氧还原电催化中的应用研究进展进行了总结,同时展望了模板辅助合成法的一些发展趋势.     

直接甲醇燃料电池纳米结构电催化材料及多孔电极研究（英文）

直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料能量密度高,工作温度低,低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一,至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继发布了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而,DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前,众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系,以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外,DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所,通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化,如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.近年来,纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面,许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面,许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H+,OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善,但是仍有许多问题有待解决.因此,本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.通过对比不同催化材料的特性可以发现,在本文涉及到的催化材料中,In0.1SnO_2-Pt和(MoO_3)0.2Sn O2-Pt/C表现出了最高的催化活性,但是它们高效催化甲醇电氧化所需的碱性环境与现在占绝对主流地位的Nafion质子交换膜所必须的酸性环境相冲突,所以其实际应用价值在碱性阴离子交换膜研究取得突破前都难以有效发挥.而另一类表现较好的采用溶致液晶模板法合成的纳米树枝状和纳米星形Pt催化剂则存在制备工艺难以商业规模化的问题.总的来说,采用溶剂热合成法制备的Pt-NRCeO_2/GNs和Pt/Ti0.9Sn0.1O_2-C等纳米结构金属氧化物、碳材料复合载体和Pt基贵金属催化剂组成的催化材料体系不仅催化性能相对于商业化Pt纳米颗粒有很大提高,而且制备方法易于商业规模化,值得进一步关注.此外,本文还介绍了如内部传质过程的理论建模计算和膜电极中功能结构的制备等优化DMFC中多孔电极内传质过程的方法.通过计算机模拟得到优化DMFC内部传质过程所需的扩散层、催化层的传质特性相关参数,再通过改进MEA制备工艺,有效控制各层的结构参数向模拟的优化值靠拢,能够实现DMFC性能的有效提升.综合模拟、实验研究及工艺研究结果,根据实际需要,设计和制备包含新功能层的MEA的相关研究也更进一步提高了DMFC的性能和实用性.就目前的研究情况而言,如果在性能提升的基础上,使用寿命再取得突破,DMFC一定会有很好的商业应用前景.     

金掺杂对碳负载钯催化还原性能的促进作用（英文）

在许多催化应用中双金属的Pd Au催化剂性能优于单金属催化剂.科研人员对具有可控纳米结构和高活性的Pd Au催化剂进行了广泛的研究,但该催化剂的制备需要多步且通常步骤复杂.本文仅通过浸渍和焙烧制得了Au掺杂的负载型Pd催化剂,所得Pd Au/C催化剂用于室温水相三氯乙烯加氢脱氯反应.当Pd和Au负载量分别为1.0 wt%和1.1 wt%时,在经过干燥、空气处理和H_2还原的过程后,所制得的Pd Au/C催化剂活性最高,初始转化频率(TOF)为34.0×10~(–2) mol_(TCE) mol~(–1)Pd s~(–1),是单金属1.0 wt%Pd/C催化剂TOF(2.2×10~(–2) mol_(TCE) mol~(–1)Pd s~(–1))的15倍以上.X射线吸收光谱结果表明,金的加入避免了400 oC焙烧时Pd的氧化.本文还提出了可能的催化剂纳米结构演变路径,以解释所观察到的催化现象.     

增强多孔纳米红磷的光氧化和光还原性能（英文）

通过水热法获得了多孔纳米结构的红磷,其中水热处理24 h所得的红磷(H-RP24h)具有最高的光催化活性,光氧化罗丹明B(RhB)和光还原Cr(Ⅵ)的速率常数分别是9.2×10~(-2)和3.4×10~(-2) min~(-1),是商业红磷的23和26倍。进一步研究发现水热处理减小了红磷的尺寸、增强了光响应、提高了光生电子和空穴(h~+)的分离,从而提高了它的光催化活性。通过自由基捕获实验发现在光降解反应过程中起主要作用的活性物种是h~+和超氧自由基。     

聚合物热裂解碳材料结构对电化学性能的影响

近年来 ,对各种碳材料如天然石墨、焦炭、碳纤维、非石墨碳、裂解碳、掺杂型碳等用于锂离子二次电池的负极已进行了广泛的研究[17].随着碳材料来源和制备方法的不同 ,其形态和结构差异很大 ,这些宏观和微观结构的变化对锂离子电池碳负极的电化学性能有很大影响 .也就是说锂离子在碳负极材料中的嵌入与脱出能力与碳负极的种类 (石墨碳或非石墨碳 )、形态 (如结晶或非结晶碳 )及比表面积、Ｈ/Ｃ原子比率、粒径大小及其分布、聚集态以及微晶尺寸ｄ0 0 2 、Ｌａ、Ｌｃ 等物理参数均有密切关系 .由于碳材料本身结构的复杂性及其形态的多样性 ,目…     

咪唑鎓盐基材料电催化二氧化碳还原研究进展（英文）

随着化石能源的使用日益增加,大气中CO₂的浓度不断上升,给环境带来了挑战。通过催化将CO₂转化为高附加值化学品为解决这些问题提供了一个机会,并为燃料合成开辟了一条新的途径,最终有助于减少CO₂排放并实现碳中和。在众多的方法中,利用可再生清洁能源进行CO₂电还原反应(CO₂RR)以其反应条件温和、反应进度可控、环境友好以及可以产生大量的附加值产品而受到重视。在此背景下,咪唑鎓基材料及其衍生物已成为CO₂RR的有潜力的候选材料。这些材料对CO₂有很强的亲和力,并且在CO₂RR系统中作为电解质和电催化剂都有应用。所以它们的主要优点之一是能够在催化体系中富集CO₂,有效地抑制析氢副反应(HER),并提高CO₂RR产物的选择性。了解电催化条件下咪唑鎓基离子液体(Im-ILs)与CO₂分子之间的相互作用机制对于从分子角度深入了解为什么添加Im-ILs可以改善C...     

Y对柴油车碳烟氧化催化剂MnO_x-CeO_2热稳定性的影响（英文）

采用共沉淀法制备了不同Y含量的MnOx-CeO2-Y2O3催化剂,并用于NOx存在条件下的碳烟氧化反应.通过在干空气气流中800°C焙烧12h评价了这些催化剂的热稳定性.采用X射线衍射、N2吸附-脱附、拉曼光谱、H2程序升温还原、储氧量测试、NO程序升温氧化、X射线光电子能谱和碳烟程序升温氧化等手段对催化剂进行了表征.实验发现,Y的添加导致催化剂比表面积、还原性能和储氧能力下降,从而影响了NO和碳烟的氧化活性.然而,热老化之后,Y可增大催化剂的热稳定性,其中以6%–10%Y的添加效果最好,它们的最大碳烟氧化速率温度仅增加了34–35°C.MnOx-CeO2催化剂的催化活性和热失活与其表面的Mn4+和氧物种密切相关.     

二维炭基多孔材料的合成及应用（英文）

二维材料是指厚度在纳米尺度,且在两个维度(长和宽)具有较大尺寸的材料。与块体材料相比,二维材料最大的特点是具有极高的表面/体积比,有利于传质、传热和离子扩散,因而在吸附、催化以及储能等领域有广泛的应用。近年来,随着石墨烯引发的二维材料研究浪潮,二维炭基多孔材料成为全世界关注的研究热点。而二维炭基材料的孔结构是影响其性能的关键因素。本文介绍了近年来二维炭基多孔材料的合成方法,包括炭纳米片及炭-无机复合纳米片的制备,讨论了制备条件对材料孔结构的影响。在此基础上,着重介绍了二维炭基材料在吸附、多相催化及储能方面的应用。最后,对新型炭基二维材料开发中仍存在的关键科学问题进行了总结和展望。     

生物质基双功能氮掺杂多孔碳在对硝基苯酚还原和苯乙烯氧化中的应用（英文）

大多数催化过程需以金属甚至贵金属作为活性位点,尽管金属基催化剂在很多情况下可以展现出较好的催化性能,但其实际应用受到价格较高、储量有限、组分流失和金属位点烧结等因素的限制.在非金属催化剂中,碳材料由于具有来源丰富、稳定性好以及可调控性强等特点而得到了广泛应用.研究表明,将具有供电子或吸电子特征的异质原子如氮、硼、硫和磷等掺入碳结构中是一种可行的策略,可通过电子结构调控产生缺陷来提高催化性能.其中,氮原子与碳原子的原子半径相近,可有效改善碳的化学惰性,是一种理想的掺杂原子.基于这些认识,各类氮掺杂碳材料,如碳纳米管、碳纳米球、石墨烯、介孔碳、碳纤维等已经被开发出来且显示出令人满意的催化效果.然而,传统氮掺杂碳材料的制备还存在反应条件苛刻、需要使用各类有毒试剂以及制备过程复杂等缺点.近年来,以廉价易得的生物质为原料,通过简单绿色方法合成氮掺杂碳材料,并进一步探索其在更多催化领域如有机催化中的应用得到了广泛关注.对硝基苯酚的催化还原反应和苯乙烯的催化氧化反应一般需要金属催化剂.其中,对硝基苯酚是化学工业中常见的难降解污染物,可对环境和人类健康造成严重威胁.在所有减轻其污染和危害的方法中,从环...     

锰催化芳香碳-氧键的还原断裂（英文）

这里发现锰化合物能够催化芳香碳-氧键的还原断裂.就我们所知,目前还没有锰催化芳香碳-氧键断裂方面的报道.以二苯并呋喃为底物,对各种反应条件进行优化,得到的较佳反应条件为5%Mn(OAc)_2,3当量LiAlH 4,140℃温度,四氢呋喃溶剂.在这个反应条件下,多种芳香碳-氧键能够发生还原断裂.甲醇钠的添加能够有效地促进二苯醚等底物的反应.对反应机理进行了初步研究,结果表明反应可能经历自由基过程.     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用（英文）

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注.特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程.同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一.兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势.另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义.在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述.由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制.通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触.但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利.另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利.本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用.在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素.在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物.除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移.另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇.需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用:一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物.本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用.