碳纳米流体相变特性实验研究

通过"两步法"制备分散均匀、稳定的单壁碳纳米管/水、多壁碳纳米管/水碳纳米流体,通过差示扫描量热法(DSC)测试分析了碳纳米流体的凝固、熔化相变过程,实验结果表明在凝固相变过程中随着碳纳米管质量分数的增加,碳纳米流体的起始凝固温度及凝固温度逐渐升高,单壁碳纳米流体的凝固温度显著提高,在熔化相变过程中,碳纳米流体的质量分数对于纳米流体的熔点无明显影响,但对于碳纳米流体的潜热影响较大,碳纳米流体的潜热随着质量分数的增加而明显减小。     

CH4水合物在SDS和CTAB溶液中的生成特性研究

为探究不同促进剂在甲烷水合物生成过程的微观作用机理,选取动力学促进剂十二烷基硫酸钠(SDS)和热力学促进剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为添加剂,采用分子动力学方法研究其对甲烷水合物生成速率的影响.通过分析势能变化、均方位移、径向分布函数、分子簇生长速率,发现质量分数为0.9%SDS、1.2%SDS、1.2%CTAB、1.6%CTAB的溶液均可促进水合物生成.质量分数为1.2%的SDS溶液水合物生长速率最快,且SDS促进效果优于CTAB.通过分析甲烷分子密度分布云图,发现呈阴性的SDS分子头部基团吸附了大量甲烷分子,水分子受挤压向中间聚集;CTAB含氮的头部基团朝向均相溶液,包含在不稳定的水合物笼中,形成半笼型水合物.相比之下,CTAB溶液中水合物含气率更高.     

CH_4-CO_2混合气体水合物在NaCl溶液中生成过程

本实验着重研究了纯水、质量分数为3.4%和5.0%的NaCl溶液中,甲烷-二氧化碳混合气体水合物的生长速率以及气体在水合物相中分布规律。研究结果表明水合物生成过程中对甲烷和二氧化碳的吸收存在一定的选择性。二氧化碳在水合物晶核生长初期更容易被捕获,表明二氧化碳更易于占据水合物中大笼,同时有利于稳定水合物的晶体结构。NaCl的存在提高了水合物三相平衡压力,降低了水合物的气体消耗总量。随着溶液中初始盐浓度的提高,水合物生长初期对二氧化碳的选择性吸收得到了强化。表明溶液中NaCl浓度的上升提高了水合物晶核的不稳定性同时抑制了晶核生成。因此,NaCl对水合物的生长过程具有一定的抑制作用。     

一种高效的用含水乙醇制备单壁碳纳米管的方法

本文采用流化床反应器,利用MgO作为催化剂载体,以Mo和Fe为催化剂。让Ar气流携带含水的乙醇蒸汽进入反应器,通过化学气相沉积(CCVD)法合成了单壁碳纳米管(SWCNTs)。利用拉曼光谱和透射电镜(TEM)对所合成的单壁碳纳米管质量进行检测。实验结果表明无水乙醇中加入7%的水反应温度在950℃时,制备的单壁碳纳米管的质量最好而且管径分布非常均匀。     

显微激光拉曼光谱测定甲烷水合物的水合指数

甲烷水合物是由甲烷气体分子与水分子在低温高压下形成的一种笼型结构化合物,广泛存在于海底陆架区和陆地冻土区,被认为是一种潜在的能源资源。在水合物的晶格中,水分子在氢键的作用下形成大小不同的笼子,甲烷分子可分别进入大笼(51262)和小笼(512)中。在自行研制的实验装置上,分别合成了一系列不同体系下的甲烷水合物,包括十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液-甲烷体系、冰粉-甲烷体系以及冰粉-不同粒度砂-甲烷体系。对这些甲烷水合物样品进行了激光拉曼光谱分析,测定了其水合指数,笼占有率等结构参数。结果表明,这些甲烷水合物都为Ⅰ型结构,其水合指数和笼占有率基本不受沉积物粒径大小的影响。在3种体系中生成的水合物,大笼中甲烷分子基本占满,占有率大于97%;小笼中甲烷分子占有率为80%～86%,测得的水合指数为6.05～6.15。     

以Y/Ni为催化剂制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱研究

采用电弧放电法以Y/Ni为催化制备了单壁碳纳米管（SWNTs），对样品进行了扫描电镜、透射电镜和拉曼光谱的研究。所制备的样品中单壁碳纳米管的含量较高。对单壁碳纳米管的共振拉曼散射增强效应进行了观察，随激光波长的不同，单壁碳纳米管的拉曼光谱也随之变化，尤其是低频区径向呼吸模的变化比较明显。利用布里渊区折叠法计算了单壁碳纳米管的电子态密度曲线，根据SWNTs电子态密度尖峰之间的能量差、管子的直径和呼吸模频率建立了一个图表，并对SWNTs的呼吸模进行了归属。分析结果表明：样品中单壁碳纳米管的直径分布在0.79-1.76nm范围，金属管和半导体管均存在，并且直径在1.45nm附近的碳管居多。     

H型水合物生成过程的实验研究

在恒容条件下,根据水合物的相平衡条件设置4、6、8 K三个不同的过冷度,分析了不同的过冷度对含大客体分子和甲烷体系的H型水合物生成过程的影响,并与纯甲烷水合物的生成过程进行比较,包括诱导时间、生成速率、气体消耗量。本实验所采用的四种大客体分子分别是:环庚烷、环庚酮、环辛烷、甲基环己烷。实验结果表明,过冷度越大,水合物生成的诱导时间越短;环庚酮H型水合物的反应速率最快,且储气效果最佳。     

碳纳米流体强化传热研究

在去离子水中分别添加了单壁、多壁碳纳米管材料,通过配比一定质量的亲水性分散剂,经超声波振荡试制了水基碳纳米流体。测试分析了不同碳纳米管材料质量分数下的纳米流体热导率和动力粘度等重要热物性参数。测试结果表明:碳纳米管粒子能够强化基液工质导热性能,随着其质量分数的增加,水基单壁、多壁碳纳米流体热导率均明显提高;单壁碳纳米流体粘度显著增加,多壁碳纳米流体粘度无明显变化,多壁碳管更适用于纳米流体强化传热。     

碳纳米管在银基底上的表面增强拉曼散射光谱研究(英文)

介绍了一种单壁碳纳米管表面增强拉曼散射的新方法。依据碳纳米管独特的力学性能,在银表面直接研磨单壁碳纳米管,在形成纳米级粗糙银表面的同时,单壁碳纳米管也吸附在银表面上。在银表面粗糙程度和单壁碳纳米管厚度适中的区域得到了高质量的单壁碳纳米管SERS谱。该方法消除了溶剂的干扰,保证了结果的准确性,理论分析和实验结果表明该方法是正确的、可行的     

高响应度倍增型碳纳米管-有机红光探测器

采用溶液旋涂方法将单壁碳纳米管与有机红光材料结合并制作出红光探测器,研究了单壁碳纳米管对PBDTTT-F∶PCBM本体异质结活性层薄膜的影响机理及其红光探测器的光电特性.利用原子力显微镜,荧光光谱和紫外-可见吸收光谱等方法对器件进行性能表征及优化.当单壁碳纳米管为最优掺入比1.5wt%时,在-1V偏置电压时,红光光照下该探测器响应度为535mA/W,比探测率达到3.8×1012 Jones,外量子效率达到104%.结果表明,将单壁碳纳米管与有机红光材料结合,有利于提高有机共轭聚合物的聚集以及结晶度,增强光吸收,可为活性层提供高迁移率的电荷传导通道,优化薄膜互穿网络形貌.同时,利用碳纳米管的多激子产生效应,使得有机光电探测器的光电性能大大改善,外量子效率超过100%,为无机-有机光电探测器的进一步开发提供参考.     

单壁碳纳米管的振动频率

将修正的分子结构力学方法(MMSMM)扩展用来分析单壁碳纳米管的动态特性. 应用MMSMM方法分析了悬臂单壁碳纳米管的振动特性，对计算得到的单壁碳纳米管振动的基频进行了讨论. 发现单壁碳纳米管振动的基频与碳管的直径和长度有关，呈现出一定的尺度依赖性，当管径很小的时候，单壁碳纳米管的振动基频可以达到GHz.并尝试用有限元方法模拟碳管的振动问题. 两种方法得到的结果表明，在常用的原子模拟方法(如分子动力学方法)解决碳纳米管振动问题遇到困难时，通过扩展修正可以简单的处理这类问题，并可以保持很好的精度.     

碳化铝与水反应合成甲烷水合物的实验研究

 利用自行设计的高压气水合物实验装置,通过碳化铝与水反应成功合成了甲烷水合物。实验结果表明,碳化铝与水反应合成甲烷水合物的方法有效地解决了传统甲烷水合物模拟实验中甲烷气体引入问题;同时,碳化铝与水反应产生的甲烷及沉淀物能较好地模拟海洋环境中水合物形成的自然条件,为实验模拟甲烷水合物研究提供了一种新方法。利用此方法,对甲烷水合物合成与分解温度、压力条件及动力学过程进行了初步研究。     

电子束诱导单壁碳纳米管不稳定的新观察

利用透射电镜在室温下对不同形态的单壁碳纳米管进行了原位电子束辐照研究.研究发现:在相同的辐照条件下随着辐照时间(或辐照剂量)的增加,两端固定的单壁碳纳米管径向收缩,且收缩速率越来越快;相同直径的轴向弯曲的单壁碳纳米管比平直的单壁碳纳米管更加不稳定;一端固定另端自由的单壁碳纳米管轴向收缩,但其直径基本不变.利用单壁碳纳米管纳米曲率效应和能量束诱导非热激活效应,对上述单壁碳纳米管不稳定性现象进行了新的、合理的解释.     

单壁碳纳米管中的金属-半导体转变与对称性

报道了最近作者对受压扶手椅形单壁碳纳米管中的金属-半导体转变机理的理论研究。这种转变在两种因素的共同作用下得以发生，即外加压力造成碳纳米管镜像对称破缺，以及被压碳纳米管两侧原子发生成键相互作用．作者还进一步揭示了发生这种转变的普遍机制：只要将单壁碳纳米管中两套原来等价的子晶格变得可以区分(对称性破缺)，在费米能附近就会产生能隙．     

天然流体包裹体中甲烷水合物生成条件原位变温拉曼光谱研究

准确获取流体包裹体中气体水合物的生成条件一直是传统包裹体分析方法面临的一个难题。文章采用原位拉曼光谱技术分析了天然流体包裹体中甲烷水合物的生成条件。并由常温拉曼光谱分析表明,研究流体包裹体的流体组成为CH4-H2O体系。通过三种方法控制实验温度的变化,在第三种方法实验条件下获得了-170 ℃时甲烷水合物与冰的拉曼光谱,逐渐升温原位观测甲烷水合物的消失温度。原位拉曼光谱检测结果表明,研究包裹体中甲烷水合物的生成温度为7.5 ℃。结合CH4-H2O体系水合物形成条件相平衡计算,得到包裹体中甲烷水合物生成时的压力为5.587 3 MPa。研究结果表明,原位拉曼光谱技术是准确获取流体包裹体种气体水合物生成条件的一种有效方法。     

单壁碳纳米管膜及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料的光电特性

单壁碳纳米管能够强烈吸收光线,尤其是在近红外区域,并能将光能转换成热能.同时,单壁碳纳米管还具有相当大的将热能转换成电能的能力.通过真空过滤方法,将由化学气相沉积生成的单壁碳纳米管阵列制备成单壁碳纳米管膜.根据研究的需要设计了一个简单的单壁碳纳米管膜光伏性质测试实验装置,并在其两端成功地实现了由红外光转换为电压输出.通过功能化步骤,制备了单壁碳纳米管/三聚氰胺甲醛树脂复合材料膜,实验结果表明该复合材料能产生符号相反的输出电压.这预示着单壁碳纳米管及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料在光电领域具有良好的应用前景.     

单壁碳纳米管力学行为的数字散斑相关法实验研究

通过直接单向拉伸超长单壁碳纳米管束长绳,首次借助高精度数字散斑相关法,并结合显维放大技术,测量了单壁碳纳米管的弹性模量和拉伸强度。试验中观察了单壁碳纳米管束长绳的断裂过程。单壁碳纳米管束长绳通过改进的化学气相沉积技术生成。试验得到单壁碳纳米管的平均杨氏模量为129.0±70.3GPa,平均拉伸强度为1.95±0.56GPa,低于计算值和先前其它文献的试验值。     

显微激光拉曼光谱原位观测甲烷水合物生成与分解的微观过程

采用显微激光拉曼光谱技术对高压透明毛细管中甲烷水合物的生成与分解的微观过程进行了原位观测,初步探讨了甲烷水合物笼型结构的变化规律.结果表明,甲烷水合物在生成过程中,甲烷分子的拉曼峰(2 917 cm-1)逐渐分裂为两个峰(2 905和2 915 cm-1),表明溶解态甲烷分子从单一的化学环境进入了两个有差异的化学环境中...     

二茂铁质量对气相爆轰法合成碳纳米管的影响

以甲烷和氧气作为爆源,二茂铁为前驱体,探究了不同前驱体质量对所合成的碳纳米管的影响。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等手段对碳纳米管的形貌和结构进行表征,结果发现:当二茂铁量较少时,只有碳包覆铁纳米颗粒存在;随着二茂铁质量的增加,逐渐有碳纳米管生成,其管径大多分布在10~50nm之间,为多壁碳纳米短管。随着前驱体质量的增加,碳纳米管的石墨化程度提高,结构缺陷也变少。通过对合成产物的热重分析可得,气相爆轰法所制备的碳纳米管具有强烈吸氧性,所得样品中碳纳米管的质量分数为26%左右。     

甲烷水合物成核过程的实验研究进展(特邀)

甲烷水合物(可燃冰)作为一种储量巨大、分布广泛的清洁能源而备受关注。围绕甲烷水合物的开采、以固态水合物形式储运天然气和氢气等问题开展基础科学研究,具有重要的科学意义和应用价值。成核过程是甲烷水合物形成的关键第一步,由甲烷、水分子形成团簇并逐渐演化形成水合物的微观过程。然而,由于缺乏在高压环境下研究成核微观过程的有效实验方法,针对成核过程的实验研究进展缓慢。本文首先对气体水合物的结构及其性质进行了回顾;然后,以水合物演化的分子动力学模拟为基础,梳理现有关于水合物演化路径的初步认知;最后,以超快非线性光谱学方法为主,讨论了水合物实验研究的进展和展望。