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[硕士论文] 王杰
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:搅拌是通过电机的电能带动搅拌器旋转产生机械能传递给流体,在搅拌器附近湍流强烈,充分混合,并产生高速射流带动液体甚至悬浮的颗粒循环流动,还可以传热和传质。磷酸反应槽搅拌桨是磷酸装置生产工艺流程中的关键设备之一,磷矿粉与浓硫酸在反应槽内反应生成磷酸,搅拌桨起到充分混合反应、颗粒悬浮均匀的作用。
  本文是为了研究铜陵化工集团六国化工有限公司磷酸车间Φ11000×6800磷酸反应槽(搅拌桨的参数为Φ3860,上下二层四叶CBY桨)生产过程中的流场形态以及功率损耗问题。目前,对大型搅拌设备的设计及其内部流场形态的研究还处于初步阶段,大多来自工程实践经验。随着计算机技术的发展,计算流体力学(CFD)逐渐成为研究搅拌设备内部流动和混合特性的重要方法。CFD技术广泛的应用,可以缩短研发周期,降低研发成本。
  本文首先采用Solidworks建立搅拌桨结构简化模型,导入前处理软件Gambit中划分网格,再用Fluent求解,建立基于欧拉-欧拉模型的固液两相流数学模型,采用标准k-ε湍流模型对流体相的湍流特性进行描述,对反应槽内的流体特性利用多重参考系法进行了三维流场数值模拟。分析了不同液位高度、不同桨叶到槽底的距离和不同搅拌转速对搅拌槽内部流场的影响规律,并对搅拌桨的外部几何参数进行了对比优化研究。得出桨叶离槽底C=1.4m左右,液面高度h=5.3m,搅拌转速为n=40rpm时达到较好的搅拌效果和功率的最佳性能。本文的研究工作对磷酸反应槽搅拌桨安装参数和加料负荷也有一定的参考价值。
[硕士论文] 刘月姣
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:硫酸钡(BaSO4)由于具有无毒无害、耐酸碱、高反射率和高白度等优良的物理化学特征,被广泛用于颜料填充物、陶瓷、造纸、造影剂、吸附剂和塑料填充剂等领域。同时,均一粒径BaSO4微球具有光反射率高的优良特性,其颗粒堆积形成的空隙能有效均匀地渗透分散血清,并且达到过滤分离的目的,因此,BaSO4微球可用作医学干式诊断的过滤、扩散反射多功能层。目前,制备均一粒径微米级BaSO4是医学干式诊断领域的研究热点与关键技术之一。
  本文以BaCl2·2H2O、EDTA·2Na和Na2SO4为原料,采用络合沉淀法,经络合反应、沉淀反应、熟化、洗涤、干燥等工艺合成均一微米级BaSO4颗粒。考察并优化了原料[EDTA/Ba2+]络合配比、反应物浓度、合成时间、反应温度等因素,得出均一粒径微米级BaSO4的最优合成条件。经SEM表明制备的BaSO4微球粒径可达3μm,均一度与单分散性极好。并对BaSO4微球的产率进行了分析,给出了提高产率的有效途径,最终合成产率可达到93%以上。并且,根据硫酸钡的结晶历程,提出微米级球形BaSO4微球的形成机理。
  以上述合成的均一粒径BaSO4微球为原料,制备出BaSO4过滤、扩散反射多功能层(简称BaSO4多功能层),考察了醋酸纤维素(CA)、浆液搅拌时间、表面活性剂(吐温80)等因素对BaSO4多功能层的影响,优化BaSO4多功能层的制备工艺。在最优条件下制备的BaSO4多功能层空隙分布均匀、密集,且BaSO4多功能层没有裂纹、掉粉等现象。使用反射光谱仪对制备的BaSO4多功能层检测表明在400~750nm的范围内光反射率可达99%以上。另外,SEM表征结果得出以自制BaSO4微球为原料的BaSO4多功能层的性能明显优于市售无定型BaSO4粉末原料制备的BaSO4多功能层。
  将上述BaSO4多功能层涂覆于自制的高密度脂蛋白(HDL)试剂层上,得到高密度脂蛋白干片。实验结果表明:使用BaSO4多功能层制备的高密度脂蛋白干片具有扩散均匀、对相同浓度待测物血清重复性好、对不同浓度待测物血清反应后显色有明显的梯度差异,灵敏度高的特点。因此,采用本方法制备的均一粒径球形BaSO4能成功应用于干化学体外诊断。
[硕士论文] 秦志阔
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:硅烷流化床工艺与传统制备多晶硅生产工艺相比,具有能耗低、转化率高、可连续运行等优点,越来越受到广泛关注。但硅烷是一种易燃、易爆的化学品,因此实验过程中安全管理要求高,反应测量难度大。另外,气固流化床内“三传一反”过程与多尺度结构紧密耦合,目前对流化床内复杂的多相流动、反应仍缺乏足够的认识,这些都阻碍了硅烷流化床制备多晶硅工艺的进一步发展。借助于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)数值模拟方法,可以对此类难于测量的反应器内的流动状态和反应进行深入研究。但已有研究表明,基于均匀假设的传统模拟方法难以准确模拟此类复杂系统,必须建立介尺度模型。本文基于能量最小多尺度模型(Energy-Minimization Multi-Scale,EMMS)对硅烷流化床制备多晶硅的多尺度流动和反应进行了模拟研究,为硅烷流化床反应器的优化、设计和放大提供理论指导和帮助。主要工作如下:
  论文第二章采用稠密离散相模型(Dense Discrete Phase Model,DDPM)耦合EMMS曳力对气固鼓泡流化床进行了流动模拟,研究了DDPM模型中的计算粒子参数对模拟结果的影响。结果显示:计算网格和计算粒子parcel的大小对于模拟结果都存在着较大影响,综合计算精度和计算速度等因素考虑,确定网格单元中计算粒子的容纳量Vcell/Vparcel在100左右时为最佳计算方案。
  基于第二章的研究,第三章分别采用双流体模型(Two Fluid Model,TFM)和稠密离散相模型(DDPM)对气固流化床进行流动模拟,对比了不同曳力(Gidaspow和EMMS曳力)、不同颗粒粒径处理方式(均一粒径处理和粒径分布处理)下的模拟结果,并与实验数据进行了对比验证。对比发现:要想准确描述床层的流化状态,TFM和DDPM都必须要考虑介尺度结构存在的影响,而且床层非均匀结构越明显,EMMS曳力的作用效果越显著。DDPM相比于TFM,能够引入颗粒粒径分布,准确预测出了床层流化高度随气速的变化,捕捉到了实验中颗粒分层现象,表明了考虑颗粒粒径分布的重要性。
  在上述流动研究的基础上,第四章采用耦合EMMS流动、传质的反应模型的欧拉-欧拉双流体模拟了硅烷流化床制备多晶硅的反应过程,所得结果与实验数据吻合,进一步验证了EMMS曳力在反应模拟中的关键作用。
  第五章总结了本论文的主要结论和创新点,并提出了进一步的研究方向。
[硕士论文] 叶飞飞
化学工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:超细纳米硫酸钡(BaSO4)颗粒是一种具有高反射系数的白色物质,可应用于淀粉酶医用干片多功能层中。尤其是形貌规整、粒径均一的纳米BaSO4颗粒,可构建空隙均一、扩散性良好的多功能层,有利于待测样品的分散、过滤、以及便于后续的检测等作用。因此,均一粒径纳米BaSO4颗粒的制备尤为关键。
  本文以BaCl2、Na2SO4为反应原料,分别采用反相微乳液法、微通道反应器等方法制备纳米BaSO4颗粒。采用反相微乳液法合成纳米BaSO4颗粒时,考察了反应方式、水/表面活性剂摩尔比(R)、反应物浓度、助表面活性剂/表面活性剂摩尔比(P)、助表面活性剂的种类、陈化时间等对纳米BaSO4颗粒粒径和形貌的影响。结果表明,采用双微乳液法,R为17.97,反应物浓度为0.1mol/L,P为2.11~4.22,助表面活性剂为正戊醇、正己醇,陈化时间为24h时为反应最佳条件。在该条件下,合成出的纳米BaSO4颗粒形貌规整,粒径为18~22nm。
  采用微通道反应器制备纳米BaSO4颗粒时,考察了反应物体积流量、反应物浓度、体系温度、体积流量比等对纳米BaSO4颗粒粒径和形貌的影响。得到反应的最佳条件:体积流量为2.5mL/min,反应物浓度为0.10mol/L,反应温度为25℃,管长为10cm,体积流量比为5.0。在该条件下,可得到粒径为25~55nm的立方形纳米BaSO4颗粒。
  采用微通道反应器内最优反应条件时合成的纳米BaSO4颗粒为原料,制备BaSO4多功能层。考察不同规整度BaSO4颗粒、表面活性剂、搅拌时间对BaSO4多功能层的影响。结果表明,微量表面活性剂吐温80可显著改善多功能层的渗透性,搅拌时间应不少于120min。将所制备的BaSO4多功能层应用到淀粉酶医用干片中,经反射光密度仪检测,信号值变化曲线重复性、稳定性较好。
[硕士论文] 朱碧馨
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:我国石墨资源虽储量巨大,却由于长期的经营不善处于滥采滥用,低出口高进口的状态,为最大程度合理利用石墨资源,对石墨的精细加工显得尤为重要。
  本文瞄准石墨的下游产品--氧化石墨,氧化石墨烯和石墨烯,研究新的制备方法,旨在提高产量,简化操作过程,降低能耗,减少污染。主要研究内容包括以下两个方面:
  (1)对Hummers法工艺改进,通过正交试验设计的方法,分别研究了各反应条件对产品氧化石墨的影响,得出了最佳工艺条件:原料质量比为石墨∶高锰酸钾=1∶3,石墨∶浓硫酸=1∶50,反应时间为3h,反应温度为60℃,制备的氧化石墨碳氧比为0.79,含硫量为3.54wt%。与Hummers法相比,新的工艺省去了高温反应阶段,简化了制备过程,降低了实验的危险性,并节约了成本。将改进前后的两种方法制备的氧化石墨进行对比,发现改进后的一步法中多了环氧基,产品氧化程度更高,层间距更大,约为0.94nm,大于Hummers法的0.796nm,更容易剥离制备氧化石墨烯。水热还原结果表明,一步法中的含氧官能团基本都能去除,还原效果更好,制备的3D石墨烯结构更蓬松,孔径更大,比表面积为147m2/g,大于Hummers法制备的135m2/g,机械应力更好,电阻为11Ω,优于Hummers法电阻17Ω。对染料番红O的吸附能力980mg/g,也优于Hummers法的860mg/g。
  (2)电化学法对石墨进行处理时,分别进行了石墨的提纯,氧化石墨烯和石墨烯制备的研究。在石墨容器中采用碱性电解质对石墨粉末进行电化学提纯,有效除去了石墨片层内含的杂质S、Si等及一些小分子挥发分,并使石墨芳香环的共轭结构更加规整,便于石墨的后续加工和使用。通过将阴阳极分隔开来制备氧化石墨烯,得到的产品氧化程度高,碳氧比为1.47,产品中包含多种含氧官能团,层数较少,片层大小约500nm左右。该法与化学氧化法相比,无需使用危险试剂,也省去了繁琐的清洗过程,与常规的电化学法相比,氧化程度明显提高,因而是一项具有发展前景的新技术。在石墨烯的制备过程中,采用极性交替法,最大程度利用了氢气的还原作用,降低了石墨烯的氧化程度。研究发现,石墨烯的氧化程度随着电极交替周期减小而降低,平均片层大小也随之减小,片层变薄,缺陷减小;随着电解时间增加,产量提高,平均片层减小,片层变薄,氧化程度和缺陷基本不变。当采用1min的交替周期剥离5h时,制备的石墨烯碳氧比高达19.23,浓度为1.66mg/ml,平均片层大小为128nm,98%的片为单层、双层和三层石墨烯,缺陷可以媲美直接剥离法产品,并在产品中发现大量石墨烯量子点,为量子点的制备开辟了一条新的简单高效的途径。
[博士论文] 刘伟
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:磷腈材料是一类以氮原子和磷原子交替为主链结构,侧链可通过亲核取代反应进行调节的一类有机-无机高分子。其高氮、磷含量有利于原位制备杂原子掺杂的碳材料,且热解气脱除过程中可原位形成气孔以制备具有互穿孔道结构的多孔碳材料。杂原子掺杂的微/介孔碳材料以其优异的电化学性能在超级电容器及电催化领域已有广泛应用,但是高分子聚合物前驱体在碳化过程中,会发生分子链的自由运动并聚集而使最终产物多为少孔的碳块,因此,论文着手于应用不同的化学原理,制备聚磷腈基多孔碳材料。因聚磷腈特有的化学活性,可以根据需要制备含有不同功能取代基的聚合物,论文中,选用了苯基含量较高的苯氧基聚磷腈(PDPP),可发生自聚合反应的丁香酚氧基环磷腈(6ECP)和具有化学交联点的对乙基苯氧基和苯氧基混合取代的芳氧基聚磷腈弹性体(PDAP)为前驱体,通过不同的化学机理,制备了不同结构和性能的多孔碳材料,并研究了其在电化学领域的应用。
  1、以PDPP为前驱体,利用传统的碳化和活化原理,制备了制备了新型的杂原子掺杂多孔碳材料,通过重点研究800℃碳化及活化前后碳材料表面形貌及元素对比可知,活化过程使块状碳材料的表面产生了大量的孔结构,尽管杂原子的含量也被大大降低,但仍有1.22%的N1s和3.42%的P2p3被保留,从而原位制备了杂原子掺杂的多孔碳材料,而且活化后其比表面积大大增加,可达1798m2g-1。因低温利于杂原子的掺杂,而高温利于碳材料的石墨化。在6M KOH水系电解液中,从电容器性能比较可知,对于800℃碳化并于800℃活化的800AC电极材料制备的超级电容器,双电层电容及赝电容并存,其具有相对较高的比电容量和倍率性能,当电流密度为0.3A g-1时,其比电容可达105F g-1,而且表现出良好的循环稳定性。
  2、以6ECP为前驱体,利用其侧基上的双键发生ENE自聚合反应机理,制备了杂原子掺杂的介孔碳材料,研究了碳化体系中氢气的作用、升温碳化速率、碳化温度、制孔剂含量等因素对水系电容器及氧还原性能的影响,并探索了介孔碳电极材料在离子液体电解液中的性能。通过SEM、XRD、Raman、XPS及BET等分析手段,对其成碳机理进行了详细的研究。在热处理过程中,6ECP单体发生ENE自聚合反应生成具有高度交联结构的P6ECP,使材料在碳化过程中,能有效阻止其熔融、收缩、塌陷成致密且无孔的形态。在H2/Ar混合气氛中移动样品至预设的1000℃高温环境下并碳化2h制备的介孔材料MC-m-1000H的BET比表面积可达717.3m2g-1。在6M KOH水溶液中,展示了双电层电容器的快速充放电过程,同时杂原子的存在,使其也体现了赝电容的特性。分布于介孔结构之间的可供离子快速扩散和转移的互穿孔道,也为离子液体电解质中尺寸较大的离子和电子提供了扩散转移通道,当功率密度为738W kg-1时,[BMIM]BF4电解质中的对称超级电容器的能量密度可达到26.6W h kg-1。
  3、以PDAP为前驱体,利用化学交联的原理,制备了具有多级孔径分布的碳材料。PDAP弹性体前驱体,在加热情况下,可与过氧化物发生化学交联反应,交联点的形成在一定程度上阻止了聚合物高分子链段在高温环境中的运动,可有效防止其在碳化过程中形成致密碳块的趋势。填充SiO2的交联PDAP前驱体体系制备的碳材料比表面积仅为404.1m2g-1,但由于其优异的多级孔径分布特性,为离子的快速传输和转移提供了通道。作为超级电容器的电极材料,其对称的循环伏安和恒电流充放电曲线表明了其完美的双电层电容特性。在碱性环境中,通过二电子途径氧还原催化制备H2O2,产率在120min(-0.7V vs SCE)时H202产率可达到159mg L-1,在30min时-0.5V vs SCE电位的电流效率可达78%。
  4、通过乳液法制备了PDPP微球,并对其碳化性能进行了初步探索。为了保持其微球形貌,探索制备了PDPP@Ag复合微球,以期以金属壳层为力学支撑,制备贵金属与碳的复合材料,并将其与聚酰亚胺@银(PI@Ag)复合微球的结构和形貌进行了对比分析。高柔性的聚磷腈高分子链段容易对银纳米粒子的运动进行限制和束缚,银粒子多呈现分散状态,无法提供预期的力学支撑作用;而高刚性的PI高分子链段对初生态银纳米粒子的束缚力较小,利于银纳米粒子的迁移和聚集效应,形成了连续的银层。鉴于PI本身也含丰富的氮元素,因此,拓展了其与其他金属、金属氧化物及硫化物的复合制备,以期获得杂原子掺杂碳材料与过渡金属的无机物的复合材料在能源领域更广阔的应用。
[硕士论文] 曹金鹏
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:母胶技术对减少环境污染、节能减排和提高橡胶制品性能有着重要意义,并迅速成为橡胶领域的热点。母胶技术中研究的关键是填料在橡胶基体中纳米分散。本文将炭黑配制成悬浮浆液,通过湿法混炼制备炭黑母胶,并研究了炭黑的分散性及各种工艺方法对橡胶性能的影响。主要工作如下:
  首先使用了不同处理剂处理炭黑悬浮液制备了炭黑湿法母胶,乙醇作为炭黑浸润剂制备母胶的力学性能稍逊于干法,乙醇对炭黑的浸润效果不好。SDS和AEO9处理炭黑悬浮液对于炭黑填充份数30phr的母胶来说能够显著降低生热,提高炭黑分散性,改善力学性能。炭黑填充份数50phr时,力学性能有所降低。
  然后对于炭黑填充份数50phr的橡胶,选用醇类和葡萄糖作为炭黑分散剂,发现聚乙二醇400处理制备的炭黑母胶综合性能优异。之后以聚乙二醇400的用量为变量,发现当聚乙二醇400的份数为炭黑的3%时,湿法母胶的力学性能达到最好,炭黑分散性变好,炭黑与橡胶的结合力提高。
  为了实现炭黑母胶大规模生产,利用喷雾干燥技术实现粉末橡胶的制备。通过改变研磨时间和炭黑固含量寻找胶体磨研磨炭黑悬浮液的最佳工艺路线,之后使用AEO9对天然胶乳和炭黑混合液改性以提高其稳定性,确保了喷雾干燥的可能性,最后进行喷雾干燥,并对比了不同填充份数的粉末炭黑母胶的性能。研究发现喷雾干燥能够有效提高炭黑分散,显著的降低生热性能,拉伸强度也有所提高。
[硕士论文] 吕丽娟
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,水污染问题成为影响社会环境的重大问题,尤其是有机染料废水的排放,严重威胁到了水生生物的生命安全,而亚甲基蓝(MB)则是最有代表性的有机染料污染源。各种各样的方法被用于有机染料废水处理领域,取得了一定的成效,其中,吸附法是最为经济且有效的方法。而在能源储存方面,超级电容器则因具有较高的功率密度和循环稳定性成为最具有前景的新型储能元件。因此,开发高效且经济的吸附剂和电极材料成为人们关注的焦点。
  本文以废弃的松子壳为原料,以KOH为活化剂,采用直接碳化和加入氮源三聚氰胺和壳聚糖碳化的方法制备出了松子壳基多孔碳P-K和PCM-K,并将其用于有机染料废水吸附剂和超级电容器电极材料。其中,PCM-K的比表面积高达3376.1m2·g-1,氮含量达到6.25%。在染料废水移除方面,PCM-K对MB的吸附容量为766.9mg·g-1,移除率达到100%,远高于P-K的418.5mg·g-1。实验也探究了时间、吸附剂用量、MB初始浓度以及温度对吸附的影响。作为对比,PCM-K对阳离子染料罗丹明B(RhB)和阴离子染料甲基橙(MO)的吸附容量分别是704.3and408.7mg·g-1。动力学实验表明其吸附与准二级动力学模型一致,等温线实验表明其吸附与Langmuir吸附等温线模型一致,热力学实验表明其吸附为自发吸热过程。超级电容器方面,在三电极体系,0.1A·g-1的充放电电流密度下,PCM-K和P-K的比电容分别为376.4和255.2F·g-1。说明松子壳基多孔碳PCM-K是非常优异的有机废水处理吸附剂和超级电容器电极材料。
[硕士论文] 余雨田
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:氢键的协同效应在各类水分子簇中都有着至关重要的意义,它不仅显著地影响水分子间结合能的大小,同时也决定了水团簇的稳定性。通过构造大量512单笼团簇并研究其多变的氢键网络,讨论了512单笼团簇氢键网络结合能的变化规律,以及团簇内包含的5大类、74种亚型氢键的协同效应。结果表明:512单笼团簇氢键网络的平均结合能随团簇中1221类亚型氢键数量的上升而增高。结合Anick数组,发现512单笼团簇氢键网络的结合能随团簇中第一类、第二类21型水分子数量的上升而增高,随第三类、第四类21型水分子数量的上升而降低。1221类亚型氢键的平均键能最高,其余三类,1212类、2112类、2121类亚型氢键的平均键能相近。同一类亚型氢键中键能分布也不尽相同,一般而言,当亚型氢键给体片段或受体片段的三个水分子类型相同时,亚型氢键表现出较弱的协同效应。相反的,当亚型氢键给体片段或受体片段的三个水分子类型不同时,亚型氢键表现出较强的协同效应。
[硕士论文] 黄艳
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:三元碱金属卤化物以及二元金属卤化物具有良好的电子以及光学性质,在半导体器件、光探测器及太阳能电池等领域有很好的应用前景。
  一.利用基于粒子群优化方法开发的晶体结构预测软件包(CALYPSO)结合第一性原理方法,在高压下对RbPbCl3的新结构进行搜索,并研究了新结构的稳定性,压力诱导相变特性和光催化性质。首先预测了RbPbCl3在高压下空间群分别为P4/mmm,C2mm,I4mm和Cm的四个新结构,其中声子谱和形成焓计算结果表明上述新结构都具有动力学和热力学稳定性。随后电子结构的计算结果表明,四个新的稳定相都具有半导体特性,且能带结构的边缘态贡献主要来自于Pb-Cl链。其次,通过对带隙值对比,表明压强可以有规律地调控体系的电子结构特性。此外,能级分布的位置表明C2mm,I4mm和Cm相具有较好的光催化分解水的性质。
  二.通过第一性原理方法研究了五种含有原子空缺位的二维BiI3单层的结构性质,电子性质和光催化性质。结果表明:相比于本征态下BiI3单层结构的原子结合能,五种缺陷的二维BiI3单层结构具有热力学稳定性;缺陷可以有效地调控BiI3单层带隙值;五种缺陷BiI3单层结构保持着对可见光的高吸收能力。同时自旋-轨道耦合(SOC)效应在缺陷结构的能带带边调控中发挥着重要作用,并且相比于本征态的BiI3单层结构,VBi和VBi-I3两种缺陷类型的BiI3单层结构可以使导带底和价带项的绝对带边更容易跨越水的氧化还原电位。
[硕士论文] 聂梦思
无机化学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:碳元素有多种同素异形体,而富勒烯是唯一一种具有确定分子式的异形体。富勒烯是球状、椭圆状或管状空腔结构,其空笼里可以内嵌原子或原子簇形成新型的富勒烯—内嵌金属富勒烯(Endohedral Metallofullerene,EMFs)。EMFs具有空心富勒烯与内嵌金属原子或团簇的性质,如在电子、磁性、光学等方面表现出优良的性质,而且由于存在金属原子或原子团簇向碳笼的电荷转移,EMFs具有比空心富勒烯更为新奇的结构和性质,也因而具有更广阔的应用前景。
  本论文是利用Kr(a)tschmer-Huffman炉,在300torr的氦气压下蒸发Tb4O7和石墨的混合物,从而合成出含铽的内嵌金属富勒烯,收集生成的烟炱,并用1,2,4-三氯苯回流提取12h。将提取后TCB的溶液过滤,蒸干溶剂并立即溶解在甲苯中,然后用制备HPLC分离。一系列基于Tb的EMFs被成功分离出来TbC82(Ⅰ,Ⅱ),Tb2C84(Ⅰ,Ⅱ),Tb2C90(Ⅰ,Ⅱ)和Tb2C92并通过MALD-TOF和分析HPLC确定他们的纯度度。通过UV-vis-NIR光谱表征:TbC82(Ⅰ),TbC82(Ⅱ),Tb2C84(Ⅰ),Tb2C84(Ⅱ)和Tb2C90(Ⅱ)的结构被分别确认为Tb@C2v-C82,Tb@G-C82,Tb2C2@C2v-C82,Tb2C2@C3v-C82和Tb2C2@Cs(hept)-C88。通过循环伏安法表征Tb2C90(Ⅰ,Ⅱ)两种异构体的电化学性质。Tb2C90(Ⅱ)的第一还原电位和Tb2C90(Ⅰ)的第一还原电位相似,而Tb2C90(Ⅱ)的第一氧化电位更高,因此与Tb2C90(Ⅰ)相比,Tb2C90(Ⅱ)更容易得电子。通过比较Tb2C2@G(hept)-C88和Sc2C2@G(hept)-C88的氧化还原电位,可以得出内嵌金属原子簇对氧化电位影响更大,还原电位影响小。本文还研究了TbC82(Ⅰ)的Prato化学反应。Tb@C82(Ⅰ)和甘氨酸、2,5-二甲氧基-4-吡啶-4-基-[1,1-联苯]-4-甲醛发生Prato反应,该反应仅生成两个单加成反应物,表现出了较好的选择性,尽管该反应是可逆反应。
[硕士论文] 张娟
化学工艺 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:论文以秸秆灰为原料,开展高分散纳米白炭黑制备的工艺条件研究,考察并确定了秸秆灰硫酸酸浸、酸浸滤饼碱浸、硅酸钠溶液制备高分散纳米白炭黑等主要工序较适宜的工艺条件,所得主要结论如下:
  (1)所确定秸秆灰硫酸酸浸工序较适宜的工艺条件为:硫酸溶液质量分数15%、固液比1∶4、反应温度80℃、反应时间2.5h。此条件下秸秆灰中氧化钾的平均浸出率为97.4%。
  (2)所确定酸浸滤饼碱浸工序较适宜的工艺条件为:固液比1∶5、碱液浓度2mol·L-1、反应时间7h、反应温度120℃。此条件下酸浸滤饼中二氧化硅的平均浸出率为88.44%。
  (3)筛选并确定D-葡萄糖酸钠为较适宜的分散剂,所确定纳米白炭黑较适宜的制备工艺条件为:反应温度90℃、分散剂用量2%、硅酸钠溶液浓度11%、二氧化碳流率110mL·mm-1。此条件下的重复实验结果表明硅酸钠溶液中二氧化硅的平均收率达96.65%,所制备白炭黑样品的粒径约20~40nm、平均宏观粒径(d100)小于315nm,分散性较好。
  (4)与未添加分散剂所制备的白炭黑样品相比,添加D-葡萄糖酸钠后所制备的白炭黑样品颗粒粒径、表面羟基量明显减少。分析其作用机制初步认为:分散剂D-葡萄糖酸钠的加入,可能与颗粒表面通过硅羟基结合形成分散剂D-葡萄糖酸钠的包覆膜,破坏氢键作用的同时,降低样品颗粒的表面能,从而减少颗粒团聚、降低颗粒粒径、提高了颗粒分散性。
[硕士论文] 周金刚
应用化学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:论文针对盐酸法湿法磷酸工艺所存在的水溶性氯化钙与磷酸的难以简洁、有效分离、氯化钙废液的后续处置困难等关键技术问题,在大量文献调研和实验室前期研究工作的基础上,基于三聚氰胺具有高度的结构稳定性,能与磷酸反应生成难溶的磷酸三聚氰胺复盐沉淀的原理,创新性提出“盐酸-复盐沉淀法”制备磷酸铵盐工艺,并着重开展了盐酸酸浸、磷酸三聚氰胺复盐沉淀制备工序的优化工艺条件研究。所得主要结论如下:
  (1)磷矿理化性质分析结果显示所用的磷矿粉原样主要由磷灰石、白云石以及二氧化硅三种物质组成,P2O5含量为27.86%,属于中品位磷矿。
  (2)所确定的盐酸浸取工序较适宜的工艺条件为:反应温度40℃、反应时间60min、酸比1.1∶1、盐酸溶液浓度7mol·L-1。此工艺条件下的重复实验结果为P2O5的平均浸取率达96.70%。
  (3)所确定的磷酸三聚氰胺复盐沉淀工序较适宜的工艺条件为:反应温度70℃、粗磷酸溶液浓度0.6mol·L-1、三聚氰胺与磷酸的摩尔比(C3H6N6∶H3PO4)1.5∶1、反应时间1.5h。此工艺条件下的重复实验结果为酸浸母液中磷酸的沉淀率达98.27%。
  (4)初步实验结果显示磷酸三聚氰胺复盐氨水氨解可行,磷酸三聚氰胺的分解率可达92.40%,三聚氰胺的回收率可达99.60%。所回收的三聚氰胺固体为纯相单斜晶型的三聚氰胺,所制备的磷酸铵盐样品确定为磷酸二氢铵。
[硕士论文] 张铁柱
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:石墨烯由于独特的电学、机械性质以及超高的比表面积等特点有着非常广泛的应用,结构调控对于石墨烯的实际应用至关重要。我们通过对石墨烯进行宏观结构的调控以保证石墨烯较好的电学性能,研究石墨烯在电学领域的应用;对石墨烯进行微观结构的缺陷调控来调节石墨烯表面的电子分布,并研究它在电化学领域的应用。我的主要工作如下:
  1.采用γ射线法对石墨烯进行了宏观结构的调控,制备了具有超低密度(<5mgcm-3)、高电导率(>0.24S m-1)、优异的机械稳定性(50%应变下800次循环后,最大应力仍保持率大于76%)和电学稳定性(在相同应力下20次循环中的电导率变化几乎相同)的石墨烯海绵(GS)。另外,相同应变下(应变80%时仅为4.2kPa)的应力较小,较低应力区(0-0.5kPa)的灵敏度(1.03kPa-1)高于大多数报道的文献,使得GS可以精确检测低至10Pa的压力信号。为了进一步阐述应力对于灵敏度的作用,我们将CNT添加到石墨烯海绵(GS-n wt%-CNT,n取决于CNT的质量分数)之中来加强石墨烯的强度,发现最大应力的样品(GS-10wt%-CNT)的灵敏度降低至0.81kPa-1,并且仅可以检测到的最低应力为25Pa。
  2.通过等离子体对单层石墨烯模型电极进行微观结构的缺陷调控,以每7s的工作间隔把缺陷浓度控制在0.23×1011~5.04×1011cm-2,在-0.6V的电位下电流密度从11.6增加到42uAcm-2。然而,当缺陷浓度从5.04×1011cm-2增加至6.02×1011cm-2时,电流密度从42uAcm-2减小至34.8uAcm-2。我们针对两种不同电催化活性的缺陷状态(nd<5.04×1011cm-2;nd>6.02×1011cm-2)研究了无掺杂的拓扑缺陷对于碳材料ORR催化活性的影响机制,发现了Thrower-Stone-Wales缺陷(55-77)对于ORR催化活性提升的机理。
[博士论文] 冯卫强
环境科学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:我国工业锅炉污染物控制目前面临着多种污染物必须同时脱除的严峻形势,针对我国工业锅炉烟气排放特点和污染物多采用单独治理、净化设备占地、投资与运行费用不断增加的现状,开发高效、低能耗的多种污染物联合脱除技术,已迫在眉睫。采用臭氧氧化结合化学吸收协同脱除烟气多种污染物工艺是一条可行的技术路线,而开发大容量、可靠、高性价比的臭氧设备是该工艺路线的关键。
  搭建了臭氧发生器实验系统,包括电源、气源干燥净化装置、臭氧发生器、冷却装置、臭氧检测装置、和尾气处理装置。系统研究了空气源和氧气源下臭氧发生情况,与传统的交流电源相比,采用双极性脉冲电源供电时发生器的介质电容更低,所需最小放电电压更小,尾气中副产物二氧化氮量更低。在同样的能量密度下,采用双极性脉冲电源得到的臭氧浓度和能量效率均高于交流电源。通过脉冲电源与臭氧发生器的耦合实验研究,发现单根放电管电容为9.2nF,当谐振电容为10μF,谐振电感为99μH时,能得到较平稳的电压电流波形。
  对单根放电管进行了实验研究,采用空气源时,流量越大臭氧浓度和臭氧能效越高,这是因为采用空气源时,大流量的空气可以带走反应器内热量,有利于反应器内散热,最佳流量选择为40L/min。而采用氧气源时,则是流量较小时臭氧发生效果更好,最佳流量选择为5L/min。实验表明,电压、电流、频率、流量发生变化时,臭氧浓度和能效都会发生变化,这些变化归根结底体现在能量密度的变化上,为了稳定高效的发生臭氧,采用空气源时,能量密度选择300-700J/L,采用氧气源时,能量密度选择2000-7000J/L。在空气源条件下,当电压为5kV,频率为3000Hz,流量为40L/min,臭氧浓度为15.5mg/L,能量效率为82g/kWh;在氧气源条件下,当电压为5kV,频率为2000Hz,流量为5L/min,臭氧浓度可达144.7mg/L,能量效率为133.9g/kWh。
  在轻华热电35t/h示范工程中,采用100根放电管,当能量密度增大时,臭氧浓度的变化会分为三个阶段,能量密度小于3kJ/L时,臭氧浓度随着能量密度的增大快速增长,当能量密度在3kJ/L和6kJ/L之间时,臭氧浓度随着能量密度的增大缓慢增长,当能量密度6kJ/L时,臭氧浓度随着能量密度的增大不再增长甚至下降,实际应用时,应该尽可能的使能量密度处于第一阶段,才能更有效的利用能量。在同样的能量密度下,流量越大,臭氧产量越高,流量为40m3/h时,臭氧产量为4.9kg/h,臭氧发生能耗为7.1kWh/kgO3,该设备解决了湿法联合脱除工艺中氧化剂成本过高这一关键难题,使得湿法联合脱硫脱硝脱汞工艺的实际应用成为可能。
[博士论文] 冯太
动力工程及工程热物理 山东大学 2017(学位年度)
摘要:硫磺是磷肥生产的重要原料,也可用于其他几乎所有含硫产品的生产。我国硫磺资源匮乏,对外依存度在60%以上。与此同时,我国以煤炭为主的能源结构,导致严重的SO2污染。当前的资源化脱硫技术,硫元素多以液态SO2、硫酸和硫酸盐等形式加以回收利用,但含硫副产品或用途有限,或利用价值低,或储存运输困难,因此开发以硫磺为回收产品的硫资源化技术,有利于缓解我国SO2污染严重和硫磺资源短缺的现状。活性炭干法脱硫作为绿色可资源化的脱硫技术,可实现SO2的富集,活性炭及其制备过程中产生的热解气均有较强的还原性能,同时活性炭由于具备丰富的孔隙结构和表面官能团,可作为化学反应的催化剂。因而,本文提出了以活性炭材料和热解气为原料,耦合还原SO2使之转化为单质S的资源化、高值化硫回收技术。本文进行了SO2还原反应的热力学计算研究,在固定床反应系统中对活性炭-CO还原SO2的反应机理进行了研究,探讨了C、CO、H2三种还原性物质还原SO2的耦合机制和竞争机制,并在沉降炉反应系统中,对气固两相流动状态下还原SO2的反应进行了研究,为该技术进一步的研究和工业化应用提供了基础。
  运用factsage6.4软件,对C、CO、H2还原SO2反应及其主要副反应的化学反应热力学进行了计算,进行了不同温度、还原剂/SO2摩尔比下的热力学平衡计算,研究了CO2及H2O对反应体系平衡转化的影响,并同实验结果进行对照,为机理试验研究提供了依据。研究认为C、CO及H2还原SO2的反应均为放热反应,且在0-1000℃下均可自发进行。温度及还原剂/SO2摩尔比对反应热力学平衡影响显著,较低温度和符合化学当量比的还原剂/SO2摩尔比有利于SO2向单质S的转化,温度升高、还原剂/SO2摩尔比超过化学当量比,含S副产物增加,单质S选择性降低。当CO/SO2>3时,含S产物以COS为主;当H2/SO2>3时,SO2几乎完全转化为H2S。实验对比表明,低温下由于动力学因素限制,CO与H2还原SO2的反应较难发生,而随着温度升高,反应到达平衡所需时间缩短。CO2及H2O的加入会抑制SO2还原反应的正向进行,但CO2的抑制作用较低,而H2O的加入导致Claus反应高温下平衡逆向移动,造成H2S生成量增加;反应过程中加入与H2O等量的H2S气体,可有效抑制平衡移动。
  CO是活性炭制备过程中热解气的主要成分,因此对碳材料性质、反应温度、CO/SO2摩尔比、载气停留时间对C-CO耦合还原SO2反应效率的影响进行了研究。并通过研究S元素在气体产物和碳表面的迁移规律,探讨了活性炭催化CO还原SO2的反应机理。研究表明,随着反应温度、CO/SO2摩尔比和停留时间的增加,SO2转化率均显著提高,而当SO2完全转化后,此反应温度和CO/SO2摩尔比的继续增加会导致COS生成量增加,但停留时间的增长不会降低单质S产率。碳材料较发达的孔隙结构和灰分中较高的过渡金属氧化物含量,也有利于SO2的还原。CO在活性炭催化下还原SO2的反应符合COS中间产物机理:反应初期,炭表面形成的砜型硫和R-O-S-S-R’型硫,在CO的作用下发生转换,形成COS;COS与炭表面结合形成含-2价S的噻吩型硫和金属硫化物,与SO2反应形成单质S。
  热解气中除CO外,还含有H2、CO2、H2O等气体,因而进行了热解气与活性炭耦合还原SO2反应规律的研究。研究了反应温度、停留时间、CO/SO2摩尔比等因素对H2还原SO2的影响规律。进行了活性炭层内CO/H2混合气体还原SO2的研究,探讨了C、CO和H2还原SO2的耦合机制与竞争机制,和CO2及H2O浓度对CO/H2混合气体还原SO2的影响。研究表明H2在600℃以上可还原SO2,而在活性炭的催化下,反应起始温度降低约100℃,反应温度、H2/SO2摩尔比和气体在碳层内停留时间的影响规律与CO基本一致,但停留时间的增长会导致H2S生成量增加,进而影响单质S选择性。CO/H2混合气体还原SO2过程中,SO2优先同CO发生反应,而在还原气体足量的情况下,SO2优先与气态还原剂反应,活性炭还原优先级最低,主要体现为催化作用。CO2及H2O对SO2还原的影响与热力学分析结果一致,二者加入分别导致COS及H2S生成量增加,但CO2的影响较小,反应效率变化在5%以内,而H2O则导致Claus反应逆向进行,显著降低单质S的产率及选择性。
  建立了沉降炉反应系统,对气固两相流动状态下的SO2还原进行了分析,研究了反应温度、C/SO2摩尔比、CO浓度、H2浓度及CO2和H2O对反应的影响。研究表明,较高的反应温度和C/SO2摩尔比有利于SO2的转化,且反应过程中含S副产物生成量较低,CO和H2浓度的提高对SO2转化率有所促进,特别是对初始反应速率的提高较为明显,但是由于生成较多的COS或H2S,不利于单质S的生成。CO2和H2O的加入导致CO和H2的生成,同时抑制平衡转化,也不利于SO2向单质S的定向转化。
  分别对颗粒活性炭-热解气固定床SO2还原方法和粉末活性炭气固两相SO2方法进行工艺路线设计,前者宜采用移动床颗粒层还原工艺,而后者宜通过循环流化床还原工艺实现。以300MW机组为例进行了两种工艺路线的经济性分析,其运行过程均可实现收支平衡甚至部分盈利。
[硕士论文] 武瑞东
分析化学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:碳质气溶胶一般分为:元素碳,有机碳和碳酸盐。一部分有机碳在紫外-近可见光波段范围内有吸收,被称为棕色碳。黑碳和棕色碳能吸收光产生正辐射强迫,对大气有增温效应,因此近年来成为国际研究的热点。
  黑碳和有机碳混合后,会形成内混态或外混态的黑碳颗粒,增大了黑碳的质量吸收效率。目前混合态对黑碳吸光增强效应的影响不确定性较大,这从一定程度上增加了黑碳气候效应评估的难度。
  本论文的主要研究内容为:(1)使用透射电镜表征煤油燃烧获得黑碳的大小和形貌,用红外光谱研究黑碳表面的有机物。(2)使用黑碳仪AE-31和Sunset OC/EC热光碳分析仪测量实验体系中的黑碳浓度,讨论仪器给出数据的相关性。(3)使用紫外-可见分光光度计测量乙醇醛和甘氨酸液相反应产生的棕色碳的吸收光谱,对棕色碳的产生机理进行推断。(4)研究了煤油燃烧产生黑碳的光吸收以及被有机物包覆后的黑碳的光吸收。(5)计算了煤油燃烧获得的黑碳中有机碳的(A)ngstrom指数和有机碳包覆黑碳后有机碳的(A)ngstrom指数,评估了有机碳包覆对黑碳吸光的贡献。上述研究结果表明,煤油燃烧获得的黑碳粒径为43.09nm,与其他化石燃料燃烧获得的黑碳物化结构相似;对于包覆前的黑碳,黑碳仪AE-31和Sunset热光碳分析仪给出的浓度数据相关性较好;煤油燃烧产生黑碳本身含有的有机碳对黑碳有吸光增强,而外来有机碳包覆后对其有更强的光吸收增强,二者对黑碳的吸光贡献分别为4.1-7%和9.3-14.7%。
[博士论文] 祖琳
凝聚态物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:3d过渡金属三元氮化物ANM3(A=Cu,Ag,Ga,Sn,Al,Zn,Ge,In等;M=Ni,Mn,Fe,V,Cr,Co等)由于其丰富的物理性质和潜在的应用功能属性逐渐成为近年来新材料领域研究的热点。本论文选取Cr基和Co基氮化物ANM3(M=Cr,Co)为研究对象,详细研究了其母体化合物的制备方法、晶体结构、磁性、电输运以及热输运性质,在此基础上系统研究了化学掺杂对其物性的影响,总结演变规律,寻找优化相关功能属性的方法,为该体系的材料设计提供参考依据。本论文主要研究内容如下:
  1.Cr基氮化物ANCr3通常采用A元素与前驱物NCr的固相反应法制得。我们成功利用共沉淀法和固-气反应法获得了不同晶粒尺寸的纯相NCr,并详细给出上述两种方法制备NCr的实验条件和过程。
  2.详细研究了Cr基氮化物PNCr3的制备方法、晶体结构、电输运、热输运性质。实验结果表明,PNCr3的晶体结构为层状反后钙钛矿结构,其电输运测试呈现出金属行为,在低温表现出费米液体行为。低温比热和低温电阻率测量结果分析表明PNCr3体系中存在相当强的电子关联,这可能与PNCr3在低温至2K都未出现超导有着一定联系。PNCr3的热导率主要来自晶格热导κL和电子热导κe的共同作用,两种不同热导率对体系总的热导率贡献相当。
  3.系统研究了Cr基氮化物GeNCr3的制备及基本物性,同时研究了化学掺杂对该体系物性的影响。GeNCr3为四方-反钙钛矿结构,在420K附近同时存在一个一级反铁磁-顺磁相变与结构相变,且结构相变的发生引发了磁相变。另外,电阻率、比热曲线都在磁相变温度处有明显异常,表明该体系中电子、声子、自旋之间存在强关联性。我们在GeNCr3体系中的不同位置进行了系统的化学掺杂,结果发现Cr位Mn、Fe元素的掺杂使得该体系的磁/结构相变温度随掺杂量的增加向低温移动,这主要归因于Mn或Fe元素的掺杂导致该体系中NCr6八面体发生畸变,从而引发结构相变温度逐渐降低。相反,Ge位Si元素的掺杂实验结果表明样品依然发生了磁/结构相变,但是磁/结构相变温度不随掺杂量的增加而继续降低,这主要是因为在四方体的顶角位置掺杂对NCr6八面体产生的影响较少。
  4.通过固-气反应法成功制备出了纯相的Co基氮化物GeNCo3,并详细研究了其晶体结构及磁、电、热等物性。磁性测量表明GeNCo3中存在自旋玻璃行为,并得到自旋玻璃态的特征参数如下:冻结温度T0=79.43K,特征参数zv=6.156,以及弛豫时间τ0=5.0×10-12s。通过研究证实GeNCo3中自旋玻璃行为起源于Ge缺位引入的原子无序。此外,我们对GeNCo3的电输运和热输运性质进行了详细的测试和分析。另外,我们还成功制备了其它Co基氮化物ANCo3(A=Zn,In,Cd,Sn),并详细表征了其结构与物性。
[硕士论文] 李伟
化学工艺 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:摩擦磨损普遍存在于自然界中,给我们的生活和生产带来了巨大损失。润滑油是降低摩擦,减少磨损,延长机件寿命最为常见的润滑材料。为了提高润滑油的润滑性能,通常是在基础油中加入各种减摩、抗磨的添加剂。氧化石墨烯(GO)具有独特的二维片层结构,由于拥有超低的摩擦系数和超强的硬度特性,而且强的耐腐蚀和优异的抗氧化性能,成为了近年来摩擦学领域研究的热点材料之一。然而,GO要想实际应用于润滑油中作为减摩和抗磨添加剂使用,首先需要解决其在油介质中的分散性和透明性技术难题。
  本文主要探讨了(1) GO的尺寸与摩擦学性能构效关系;(2)GO表面改性技术开发及其分散性、透明性和摩擦学性能研究;(3)硼酸盐/GO纳米复合材料的制备及其摩擦学性能研究。
  通过控制Hummer法的氧化温度成功实现了GO的尺寸控制,分别合成出平均尺寸为25μm,22μm和18μm的GO-20,GO-27和GO-35三种纳米片。运用XRD、SEM、FT-IR、EDS、AFM等表征手段对三种GO纳米片进行了表征。结果发现,随着氧化温度的升高,GO纳米片的尺寸逐渐减小,并且发现C/O也随之减少。摩擦性能测试结果表明,GO35基油的摩擦系数相比于GO20基油和GO27基油分别降低18.5%和8.5%,而磨痕直径分别降低11.3%和5.2%。证明GO纳米片的尺寸越小,C/O比越低,其减摩和抗磨性能越好,这是由于C/O低的GO纳米片表面含有更丰富的活性基团,有利于其在油介质中的分散性。
  为了改善GO在油介质中的分散性和透明性,我们采用可生物降解的油酸二乙醇酰胺硼酸酯(ODAB)作为改性剂,成功实现了ODAB键合改性GO技术。运用FT-IR、XRD、UV-vis、Raman、TEM和XPS等一系列表征揭示了改性GO的结构,证明了ODAB是通过脱水缩合生成酰胺的方式成功接支到了GO纳米片表面。研究了改性GO在基础油中的分散性、和透明性,并考察了其摩擦性能。结果表明,改性后的GO纳米片在基础油中实现了高度分散,表现出优异的透明性,而且磨痕直径和平均摩擦系数相比于基础油分别下降了约42.0%和38.4%,展现出MGO优异的减摩和抗磨性能。
  为了进一步提升GO的摩擦学性能,我们通过一种液相超声混合剥离技术分别制备了硼酸钙(CB),硼酸镧(LB)和硼酸锌(ZB)与GO的纳米复合物。考察了物理砂磨,传统油酸(OA)改性及油酸二乙醇酰胺(OD)改性对复合物在油中分散性的影响。运用XRD、SEM、FT-IR、Raman、 UV-vis、TEM、TGA、EDS等一系列表征揭示了复合材料的结构形貌。结果表明,CB/GO基油,OA-LB/GO基油和OD-ZB/GO基油相比于500 SN基础油,它的平均摩擦系数分别下降了46.6%,30.8%和48.2%,而磨痕直径分别减小了37.5%,44.3%和37.6%。这证明了复合材料出色的协同减摩抗磨作用。
[硕士论文] 杨莉
化学 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:碳材料由于其来源丰富、导电性好、比表面积大且稳定性好,成为超级电容器最重要的电极材料。但其主要是通过双电层电容进行储能,能量密度较小。因此,如何提高电极材料的能量密度成为当前学术界关注的研究热点。根据能量密度计算公式知:E=0.5CV2,可以通过增大电压窗口或比电容来提高材料的能量密度。本文以明胶为碳源,分别通过尿素作为氮源对其氮掺杂改性,SiO2作为模板增加比表面积,然后进一步负载2,5-二甲氧基-1,4-苯醌(DMQ)制备复合材料增加比电容。通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)以及拉曼光谱(Raman)等手段,对材料的形貌和结构等情况进行表征。采用多种电化学测试手段研究材料的电化学性能以及循环稳定性。主要研究工作包括以下几个方面:
  (1)以明胶为碳源、尿素为氮源和模板,通过“原位”掺氮法合成氮掺杂介孔碳纳米纤维(N-m-CNFs)。研究了尿素的模板作用、掺入量以及煅烧温度对材料形貌、结构和电化学性能的影响。利用三电极体系,1 M H2SO4作为电解液,测试不同氮掺杂量及碳化温度下碳纤维的电化学性能。结果表明,尿素掺入后,碳材料呈纤维状,氮含量高达14.632 wt%。在1Ag-1的电流密度下,碳纤维的比电容值可达到230.9 F g-1,远大于不掺氮的碳材料(86.9 F g-1),且具有较好的循环稳定性。
  (2)以明胶为碳源和氮源、SiO2为模板,通过模板法得到孔径均一的氮掺杂多孔碳片层材料(N-p-CSs)。通过加入不同粒径SiO2,调控制备不同孔径和比表面积的多孔碳片层材料,研究不同煅烧温度对所合成碳材料形貌、结构以及电化学性能的影响。结果表明,相对于无孔碳材料,不同粒径SiO2所制备的碳材料比电容明显增大。其中,20 nm SiO2作为模板制备得到的碳材料,比电容值在电流密度为1 Ag-1时达到252.3 F g-1。
  (3)以上述制备的多孔碳片层材料为基材,利用水热法在碳材料表面负载DMQ,制备DMQ@N-p-CSs复合材料。探讨了DMQ负载量对所合成碳材料形貌、结构的影响,并分别测试了不同复合材料的电化学性能。实验表明,当DMQ与N-p-CSs质量比为1∶1制备得到的复合材料具有较好的循环性能和较高的比电容。在电流密度为1 Ag-1时,比电容可达到356.4 Fg-1,经过10000次循环之后保持98.6%的初始比电容。
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