常压干燥法制备碳气凝胶及其电极性能研究北大核心CSCD

以间苯二酚-甲醛为前驱体,通过加入P123以增强有机气骨架的方法,采用常压干燥技术制备碳气凝胶电极材料,有机凝胶在干燥过程中收缩率极大降低。通过二氧化碳活化法对常压干燥获得的碳气凝胶孔结构进行了调控。研究了不同温度对其结构的影响,获得了最高比表面积达3544m2/g的碳气凝胶。6mol/L的KOH电解液中测试表明,常压干燥碳气凝胶具有稳定的充放电性能,随着活化温度的升高,比容量逐渐增加,最高比电容可达261F/g。常压干燥技术制备的碳气凝胶电极材料在降低生产成本的同时,仍具有理想的电化学性能。     

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。     

超高比表面积碳气凝胶常压干燥制备与结构分析

以间苯二酚(R)-甲醛(F)为原料,加入表面活性剂P123以增强材料的骨架强度的方法,采用常压干燥技术制备了RF碳气凝胶,并进行了二氧化碳活化以调节其孔结构。扫描电子显微镜(SEM)测试表明,常压干燥的碳气凝胶结构中具有更大的纳米颗粒,骨架结构变粗,活化使碳气凝胶骨架结构更加致密;红外吸收光谱(FTIR)表明,表面活性剂P123中的醚键与RF苯环中的羟基存在强的相互作用,碳化后P123特征峰消失;热重曲线(TG和DTG)分析说明P123在440 ℃左右分解完全,不会对碳气凝胶的成分产生影响,并能起到良好的造孔作用;氮气吸附表明常压干燥制备的碳气凝胶比表面积约为570 m2/g,活化之后的比表面积高达3 500 m2/g左右。     

碳气凝胶及活化碳气凝胶电极材料制备与性能

 以间苯二酚(R)-甲醛(F)为原料,制备了有机气凝胶和碳气凝胶,并对其进行二氧化碳活化。X射线衍射(XRD)测试表明,二氧化碳渗入到碳气凝胶网络结构发生反应,造成(002)峰和(100)峰减弱;扫描电子显微镜(SEM)测试表明,活化没有破坏碳气凝胶的骨架结构,而是增加了大量的nm尺度微孔,从而大大提高了碳气凝胶的比表面积和微孔比例。在1 mol/L KOH电解液中进行了循环伏安和计时电位扫描测试,电极材料电化学性能稳定,具有较好的可逆性,在1 mA/s电流密度下进行充放电测试,得到活化前电极比电容为103 F/g,活化后由于比表面积的增加,比电容达到371 F/g,是一种理想的电化学电极材料。     

高密度间苯二酚-甲醛碳气凝胶ICF靶的制备与吸附性能研究

 以间苯二酚和甲醛为前驱体，通过改进传统制备技术解决了高密度间苯二酚-甲醛(CRF)碳气凝胶制备过程中的龟裂问题，制备出了符合ICF实验需要的高密度CRF碳气凝胶材料。分别对CRF碳气凝胶的元素组成和物相组成进行了鉴定，采用自动吸附仪考察了CRF碳气凝胶对N₂和H₂的吸附性能。结果表明：该碳气凝胶是一种由C元素组成的类似石墨结构的非晶固态材料，结构均匀性好，具有良好的机械加工性能，比表面积达676 m²·g^-1，平均孔径为7.16 nm；氢吸附质量分数达2.28%，相应体积密度为17.83 kg·m^-3。     

TiF_3,TiCl_3中阴阳离子对LiBH_4协同催化机理的第一性原理研究

应用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了TiF3,TiCl3催化剂中阴阳离子对LiBH4的协同催化机理.研究发现:金属Ti相对于卤族元素掺杂不容易实现;金属和卤族元素同时掺杂比Ti单独掺杂容易实现;对TiF3催化剂,一种元素掺杂的实现有助于另一种元素掺杂的实现,这大大提高了掺杂浓度.基于电子结构分析,得出卤族元素单独掺杂会降低LiBH4的稳定性;Ti单独掺杂使LiBH4费米能级升高、在带隙中引入缺陷能级、使B—H键结合减弱,这些可能是Ti的卤化物催化剂大大改善LiBH4释氢性能的原因.LiBH4中加入Ti的卤化物催化剂改善其释氢性能主要是由于催化剂使B—H共价结合减弱,这使得氢容易扩散.TiF3,TiCl3催化剂,在LiBH4可逆释氢反应过程中F,Ti协同降低B—H共价结合,而Cl,Ti这种协同作用不显著,这是TiF3对LiBH4催化效果优于TiCl3的原因.     

CO2活化温度对碳气凝胶结构及氢吸附性能影响

 以间苯二酚(R)和甲醛(F)为前驱体制备出RF碳气凝胶,并利用CO₂气体对其进行活化,通过热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、氢吸附等表征手段研究了活化过程中温度对碳气凝胶微结构及氢吸附性能的影响。结果表明：CO₂活化可使碳气凝胶比表面积大幅提高,且不会影响其微孔网络结构。随着活化温度的升高,碳气凝胶非晶性变得更加明显,失重率显著增加,微孔体积、比表面积及氢吸附量先增后减,有望通过改变CO₂活化温度增加碳气凝胶微孔数量来提高其氢吸附性能。     

Al掺杂对合金Mg1-xTix及其氢化物稳定性的影响

用密度泛函理论,研究了Al对合金Mg_1-xTi_x及其氢化物稳定性和电子结构的影响. 通过计算不同掺杂浓度的Mg-Ti-Al合金的形成焓,发现当Al和Ti的浓度之比为1:1时, 合金结构最稳定,有利于氢的可逆吸收;而掺杂体系的氢化物稳定性降低, 可提高放氢性能.通过对态密度,电子密度和键长的分析, 表明Al改善Mg-Ti系统的放氢性能的原因是掺杂后减少了低能级区成键态的电子以及减弱了Mg-H, Ti-H原子间的相互作用. 关键词： 1-xTi_xH₂储氢材料')" href="#">Mg_1-xTi_xH₂储氢材料 赝势平面波 电子结构 稳定性     

InSb的锂嵌入形成能第一原理计算

InSb材料在近来的锂离子电池负极材料研究中受到了重视.使用基于局域密度泛函理论的第一原理赝势法，计算了锂离子电池非碳类负极材料InSb各种锂嵌入情况时的形成能以及相应的电子结构.讨论了锂嵌入时的体积变化、能带结构、电子态密度以及电荷分布等性质.计算发现，闪锌矿结构的InSb材料，锂嵌入到主体材料的间隙位置时的形成能平均每个锂原子都在2.2eV左右. 关键词： InSb 锂嵌入形成能 电子结构 第一原理计算     

无序碳单层的电子结构及氢原子吸附的第一性原理

本研究运用第一性原理计算方法,系统地研究了无序碳单层材料不同位点的电子结构及其析氢性能.计算结果显示无序结构中的C-C键相比于石墨烯中的C-C键在26.7%的范围内有不同程度的拉伸或压缩,使得C原子电荷在-0.17～+0.16个电子范围内变化,导致部分C原子电子局域化.电子的局域化增强了C原子的化学活性,从而表现出了较强的吸附性能.我们发现H原子与C原子的键合及析氢性能与C原子间的键角相关.对于三配位的碳原子,其中三个价电子通过sp~2杂化轨道与最邻近的碳原子结合形成较强的共价键,而余下的一个p_z轨道电子可以与H原子在垂直于原子层的方向形成较弱的化学键.无序结构可以打破三个sp~2杂化轨道的对称性,进而影响p_z轨道与氢的成键.本研究在一定程度上揭示了单层无序碳材料结构-性能的构效关系,为实验上设计特定性能的无序碳功能材料提供理论指导.     

碳气凝胶薄片的制备及表面密度致密层去除工艺

 研究了不同密度和厚度的碳气凝胶薄片的制备及其表面致密层去除工艺。在以间苯二酚、甲醛为原料制备有机及碳气凝胶块体材料的基础上,结合自制活动式微模具成型工艺,制备了厚度在80~350 μm,密度在50~600 mg·cm^-3范围内变化的碳气凝胶薄片。采用场发射扫描电镜、X射线相衬成像和表面轮廓仪-台阶仪等手段对其表面和内部微观结构进行了表征。测试结果表明,碳气凝胶薄片与块体的内部结构相同,但薄片表面存在一层和内部结构截然不同的致密层。采用不同粗糙程度的材料对薄片进行了表面微处理,成功去除该致密“皮”层。     

辐照还原法制备Au掺杂MF气凝胶

利用辐照还原法在500 kGy辐照剂量下制备了Au掺杂MF有机气凝胶。通过X射线衍射（XRD）、能量色散光谱仪（EDX）和透射电子显微镜（TEM）测试证实了辐照法成功地制备出Au掺杂MF有机气凝胶复合物。EDX和TEM照片表明辐照处理后Au纳米颗粒均匀地分布在MF气凝胶骨架中,并且Au纳米颗粒的平均尺寸为5.8 nm。N2吸附数据分析表明掺入Au纳米颗粒后,MF气凝胶的比表面积、总孔体积、微孔体积和介孔体积都有所下降。     

ICF分解实验用双介质调制靶的研制

为了研究惯性约束聚变(ICF)实验用靶丸不同密度界面的流体力学不稳定性增长,设计并制备了聚苯乙烯(CH)/碳气凝胶(CRF),CRF/硅气凝胶(SiO2)和CH/Al三种双介质调制靶。采用溶胶-凝胶工艺制备了密度分别为250和800mg/cm3的CRF气凝胶薄片;采用激光微加工工艺分别在两种不同密度的CRF薄片和工业用纯Al箔上引入调制图形;采用旋涂工艺在Al箔和CRF薄片(250mg/cm3)的调制表面制备一层CH薄膜,得到CH/Al和CH/CRF双介质调制靶,采用溶胶-凝胶工艺在CRF薄片(800mg/cm3)表面制备一层低密度SiO2气凝胶,得到CRF/SiO2双介质调制靶。采用电子天平、扫描电子显微镜、工具显微镜和台阶仪对所制备的CH/CRF,CRF/SiO2和CH/Al三种双介质调制靶进行靶参数测量。结果表明:三种双介质调制靶层与层之间结合紧密,界面清晰,调制图形为正弦,靶参数测量准确。     

碳气凝胶/聚苯乙烯双介质柱状靶的研制

 介绍了碳气凝胶/聚苯乙烯（CRF/CH）双介质柱状靶的制备方法。使用溶胶-凝胶法和微模具原位成型法制备了直径为820 μm的间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶微柱,在氮气保护下进行高温碳化后得到直径为730 μm、密度为250 mg·cm^-3的CRF微柱;采用浸渍提拉法在CRF微柱柱面镀制一层厚度为26 μm 的CH薄膜, 形成CRF/CH双介质结构;采用机械微切割技术制备了长度为1 mm, 内径为730 μm,壁厚为26 μm的CRF/CH双介质柱状靶。实验研究了RF,CRF气凝胶微柱的制备工艺、微观形貌及CRF微柱轴向和径向的密度均匀性,探讨了影响CH薄膜厚度的主要因素,并对CH薄膜的表面形貌和两种材料之间的界面进行了表征。     

锌基复合气凝胶的微观结构

以ZnCl2为前躯物,不同相对分子质量的聚丙烯酸为模版剂,环氧丙烷作为催化剂,超临界干燥成功制得了锌基复合气凝胶。运用场发射扫描电镜、高分辨透射电子显微镜和N2等温吸附测试对气凝胶的微观结构进行了表征。结果表明,制备的锌基复合气凝胶呈现三维网络状结构,其三维结构是由大量微小颗粒组成,颗粒的粒径为nm量级,为介孔材料。选用相对分子质量为1800的聚丙烯酸作为模版剂制备的气凝胶的微观结构最好,无明显的塌陷和团聚现象,其比表面积为236 m2/g,平均孔径分布在11 nm左右,总的孔体积为0.179 cm3/g。     

密度渐变多层碳气凝胶靶型的制备

 以间苯二酚-甲醛为原料,结合自制活动式微模具成型工艺制备不同厚度和密度的碳气凝胶薄片,采用密度为10 mg·cm^-3的SiO₂溶胶为“粘合剂”,获得单元薄片厚度在100～580 μm,密度在50～400 mg·cm^-3范围内变化的5层密度渐变碳气凝胶靶型。重点研究了该特殊靶型内部C/SiO₂气凝胶层间界面情况。采用场发射扫描电镜（FESEM）,X射线相衬成像仪等对靶型整体结构及碳气凝胶单元薄片表面和内部微观结构进行了表征。结果表明：胶粘层SiO₂气凝胶厚度约为15 μm,厚度一致,远小于碳气凝胶层厚度且与碳气凝胶薄片的胶粘程度较好,界面平整,靶结构均匀。     

Electrochemical properties of Mn-doped activated carbon aerogel as electrode material for supercapacitor

Carbon aerogel (CA) was prepared by a sol-gel polymerization of resorcinol and formaldehyde, and it was activated with KOH to obtain activated carbon aerogel (ACA). Specific capacitance of carbon aerogel and activated carbon aerogel was measured by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge methods in 6 M KOH electrolyte. Activated carbon aerogel showed higher specific capacitance than carbon aerogel (136 F/g vs. 90 F/g). In order to combine excellent electrochemical performance of activated carbon aerogel with pseudocapacitive property of manganese oxide, 7 wt% manganese oxide was doped on activated carbon aerogel by an incipient wetness impregnation method. For comparison, 7 wt% manganese oxide was also doped on carbon aerogel by an incipient wetness impregnation method. It was revealed that 7 wt% Mn-doped activated carbon aerogel (Mn/ACA) showed higher specific capacitance than 7 wt% Mn-doped carbon aerogel (Mn/CA) (168 F/g vs. 98 F/g). The enhanced capacitance of 7 wt% Mn-doped activated carbon aerogel was attributed to the outstanding electric properties of activated carbon aerogel as well as the faradaic redox reactions of manganese oxide.     

Activated carbon aerogel as electrode material for coin-type EDLC cell in organic electrolyte

Carbon aerogel (CA) was prepared by a carbonization of resorcinol–formaldehyde (RF) polymer gels, and it was chemically activated with KOH to obtain activated carbon aerogel (ACA) for electrode material for EDLC in organic electrolyte. Coin-type EDLC cells with two symmetrical carbon electrode were assembled using the prepared carbon materials. Electrochemical performance of the carbon electrodes was measured by galvanostatic charge/discharge and cyclic voltammetry methods. Activated carbon aerogel (20.9 F/g) showed much higher specific capacitance than carbon aerogel (7.9 F/g) and commercial activated carbon (8.5 F/g) at a scan rate of 100 mV/s. This indicates that chemical activation with KOH served as an efficient method to improve electrochemical performance of carbon aerogel for EDLC electrode in organic electrolyte. The enhanced electrochemical performance of activated carbon aerogel was attributed to the high effective surface area and the well-developed pore structure with appropriate pore size obtained from activation with KOH.     

Preparation and characterization of metal-doped carbon aerogel for supercapacitor

Carbon aerogel was prepared by polycondensation of resorcinol and formaldehyde using sodium carbonate as a catalyst with a resorcinol to catalyst ratio of 500. Co-doped carbon aerogels were then prepared by an impregnation method with a variation of cobalt content (1, 3, 5, 7, 10, and 15 wt.%), and their performance for supercapacitor electrode was investigated by measurement of specific capacitance in 1 M H₂SO₄ electrolyte at a scan rate of 10 mV/s. Among the samples prepared, 7 wt.% Co-doped carbon aerogel showed the highest capacitance (100 F/g) and stable cyclability. The enhanced capacitance of Co-doped carbon aerogel was attributed to the faradaic redox reactions of cobalt oxide. On the basis of this result, 7 wt.% Cu-, Fe-, Mn-, and Zn-doped carbon aerogels were also prepared by an impregnation method for use as a supercapacitor electrode. Among the metal-doped carbon aerogels, Mn-doped carbon aerogel showed the highest capacitance (107 F/g) while Cu- and Fe-doped carbon aerogels exhibited the most stable cyclability.     

碳纳米管/硅纳米孔柱阵列的场发射性能

"通过热化学气相沉积的方法将碳纳米管生长到硅纳米孔柱阵列衬底上．采用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线能谱对所制备的样品形貌、组成进行了分析．结果发现：所制备产物为一种具有面积大、准周期性的碳纳米管/硅巢状阵列复合结构．能谱分析表明碳纳米管仅含有碳元素．对样品进行场发射性能测试表明该结构开启电压为1.3 MV/m,当外加电压为4.26 MV/m,发射电流为5 mA/cm2．由FN公式计算相应的场增强因子约为1.1￡104．碳纳米管/硅纳米孔柱阵列好的场发射性能被归