Inner-tubular physicochemical processes of carbon nanotubes

Nanosized inner cavities of carbon nanotubes (CNTs) afford quasi-one-dimensional (1D) confined space, in which materials adsorbed or filled are of reactivity greatly different from the materials adsorbed on a planar surface and quite a number of curious physicochemical processes will possibly occur. In other words, 1D CNT nanochannels may serve as 搉anosized test tubes? In this article, on the basis of the unique chemical and physical properties of CNTs, the latest progresses of the research on peculiar inner-tubular physicochemical processes of CNTs are briefly reviewed from several aspects. The extraordinary 1D adsorption, capillary filling and nanoscale-confined reaction are discussed in detail. Moreover, the characteristics of 搉anosized test tubes?are summarized and many unfamiliar inner cavity chemical processes are expected. Finally, the future direction and challenges on basic researches and potential applications of inner-tubular chemistry of CNTs are discussed.     

热处理对多壁碳纳米管储氢性能的影响

文章采用容量法测量在常温下压力升高到10 MPa时,多壁碳纳米管的吸附储氢性能,分析了热处理对碳纳米管的结构和吸附储氢量的影响。采用透射电镜(TEM)、激光拉曼光谱(Raman)和低温N2吸附(BET)对碳纳米管的微观结构进行表征。结果发现,热处理能明显地提高碳纳米管的石墨化程度,热处理后碳纳米管的质量储氢容量从原来的1.90%升高到2.17%。     

应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点

为拓展碳纳米管的实际应用 ,对碳纳米管应用于超级电容器的电极材料的特点作了深入分析。碳纳米管电极具有独特的孔隙结构和高比表面积利用率 ;碳纳米管表面可以形成丰富的官能团 ,具有较好的吸附特性。此外 ,作者提出了采用酸处理或球磨工艺打断碳纳米管、提高其内腔利用率的方法。可以预料 ,碳纳米管在这一领域将得到广泛应用     

粉末活性炭与单壁碳纳米管对水中多氯联苯的吸附

多氯联苯(PCBs)有较强的憎水性,在水中的溶解度很小,主要以与天然有机物结合,或附着于颗粒物的形式存在。粉末活性炭(PAC)和单壁碳纳米管(SWCNTs)对非极性较强的有机物有较好的吸附去除效果。通过研究粉末活性炭和单壁碳纳米管表面的物理化学性质,并对比研究二者对水中多氯联苯的吸附效能,包括吸附动力学和吸附等温线以及对实验数据进行相应的吸附模型拟合可知,粉末活性炭和碳纳米管对PCBs均有较好的吸附效果。10 min时粉末活性炭对多氯联苯的吸附量可达平衡吸附量的75%以上;40 min时可达90%以上;100 min以后吸附基本达到平衡。10 min时单壁碳纳米管对多氯联苯的吸附量可达平衡吸附量的60%以上,40 min时可达90%以上,80 min以后吸附基本达到平衡。     

催化裂解法制备大孔径碳纳米管

Ni-Cu-Al催化剂中加入少量碳酸钠,催化裂解甲烷制备了大孔径碳纳米管,碳纳米管的产量为2.4g/g.cat。用这种方法制备的碳纳米管的内径约为20 nm~60 nm,外径约为40 nm~80nm。用扫描电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究了碳纳米管的形貌和微结构。分析结果表明:用这种方法制备的碳纳米管不仅内径较大而且石墨化程度较高。碳酸钠的加入引起了甲烷转化率和碳产率的轻微下降。实验结果表明:碳酸钠是一种温和的毒物,它能影响Ni-Cu-Al催化剂的催化活性,导致大孔径碳纳米管的生成。文中还讨论了大孔径碳纳米管的生长机理。     

利用77 K下N2吸附等温线表征碳纳米材料的微观结构

以N2在77K下的吸附等温线为基础,利用BJH(Barrett-Joyner-Halenda)和Stoeckli方法来确定几种碳纳米纤维中中孔和微孔的孔径分布.分析结果表明,研究中的几种碳纳米纤维均存在大量20 nm左右的中孔,这与样品FESEM图的目测结果一致;测试相对压力范围(0.01～0.99)内的吸附数据呈现中孔吸附的特征,仅能采用BJH方法获得中孔的孔径分布;若采用Stoeckli方法确定微孔孔径分布,则必须采集更低相对压力(＜0.01)下的吸附数据.计算所得到的微孔容积只占孔总容积的很少部分.     

碳纳米管介电电泳排布仿真研究

建立碳纳米管介电电泳排布的数学模型,利用有限元方法模拟电场分布对介电电泳力大小和方向的影响,结果表明碳纳米管最终的沉积位置以及排布方向受电场方向及梯度的控制,已沉积碳纳米管影响局部电场分布导致与其他碳纳米管产生排斥作用,因此通过改变电场分布可以有效控制介电电泳力的方向与大小,实现碳纳米管的规律排布.     

双酚A的活性炭吸附特性

研究了活性炭吸附双酚A(BPA)的规律、吸附特性和吸附处理效果。结果表明:吸附速度快,1 h达到平衡。吸附符合弗兰德利希公式,吸附常数K=191 m g/g,1n=0.239。吸附容量大,且受被吸附质浓度的影响小。当pH>9和有其他有机物存在时,因BPA发生电离和竞争吸附使吸附容量减小,吸附规律发生变化。但活性炭吸附可使BPA浓度降低到0.08 m g/L以下,是处理含BPA废水的一种有效方法。     

两步法修饰多壁碳纳米管

近年来由于碳纳米管具有优异的性能,对碳纳米管的修饰成为众多科学家研究的热点.通过简单的两步法将牛血清白蛋白单分子薄膜修饰在多壁碳纳米管表面.首先在多壁碳纳米管表面液相沉积一层二氧化硅,然后在二氧化硅表面再修饰蛋白质分子,经过交联形成一层蛋白质薄膜.用FTIR和XPS表征样品的成分,并用高分辨透射电镜观察修饰后样品的微观结构.这种方法不但简单还可用来在碳纳米管表面接枝别的生物大分子,二氧化硅性质稳定而且容易去除,所以这种简单的两步法对拓展碳纳米管在生物材料和生物医学等方面的应用具有一定的价值.     

多壁碳纳米管及其对H_2吸附体系的Raman光谱

利用原位和非原位紫外 Raman谱法 ,对以 CH4 为碳源 ,由催化法制备的多壁碳纳米管( MWCNTs) ,K -修饰的该类 MWCNTs,以及它们对 H2 的吸附体系进行了 Raman谱表征 ,观测到可分别归属于类石墨结构的基频模 D和 G以及它们的三阶组合频 ,表面 C-H3基和 C-H2 基等的特征Raman峰 ;H2 在这类碳纳米管上的吸附态包括解离吸附生成表面 C-H3和非解离吸附分子氢 H2 ( a) ;在相同实验条件下 ,K -修饰体系上这两类氢吸附物种的表面浓度都比未经 K -修饰的相应体系高 .     

波导与开口腔体瞬态特性研究

从理论上分析了矩形波导中传播模式的瞬变过程，给出了在冲激脉冲、阶跃脉冲和高斯脉冲波形激励下，波导中电磁波瞬态响应的解析公式，并采用时频分析方法对波导中传播信号、开口腔体的散射信号的瞬态特性进行了分析．分析结果发现，当电磁脉冲信号投射到开口腔体上时，其散射信号中含有与其腔体形状、尺寸特征有关的谐振模式，不同的腔体目标，其散射信号后期信号中的谐振频率不同，通过提取散射信号中的谐振特征，可对带腔体目标进行目标识别．     

氢分子吸附碳纳米管场发射性质的密度泛函理论研究

使用第一原理密度泛函理论方法,对吸附氢分子的开口(5,5)单壁碳纳米管在有电场和无电场情况下的性质进行研究。研究结果表明在有电场发射条件下,吸附氢分子后的结构更加稳定。氢分子吸附后,费米能级处的局域态密度增加。     

十六烷基胺-多壁碳纳米管复合物的制备及NO吸附性能

为制备在室温下对NO吸附性能优异的材料,采用十六烷基胺并通过化学缩合的方法对多壁碳纳米管进行了修饰,制备了十六烷基胺-多壁碳纳米管复合物,并分别采用TG-DSC,XRD,FT-IR,Raman,SEM等技术对所制备的复合物进行了表征.研究表明:十六烷基胺通过酰胺键修饰在多壁碳纳米管表面,经十六烷基胺修饰的碳纳米管结构基本没有发生变化.原位TG-MS结果表明:在室温下,经十六烷基胺修饰的多壁碳纳米管的NO吸附量是纯碳纳米管的8.58倍,其选择性吸附NO能力较纯碳纳米管明显提高.原因是十六烷基胺修饰的多壁碳纳米管n型电导能力增强,而使受电子体NO分子易与修饰的碳纳米管作用并发生化学吸附.     

Effects of structure and surface properties on carbon nanotubes’ hydrogen storage characteristics

Hydrogen adsorption experiments were carried out in special stainless steel vessels at room temperature (298K) and under 10 MPa using self-synthesized multi-walled carbon nanotubes. In the experiments, carbon nanotubessynthesized by the seeded catalyst method were pretreatedby being soaked in chemical reagents or annealed at hightemperature before they were used to adsorb hydrogen, but their capacity for hydrogen storage was still poor. Carbonnanotubes synthesized by the floating catalyst method were found to be able to adsorb more hydrogen. They have ahydrogen storage capacity of over 4% after they wereannealed at high temperatures, which suggested that theycould be used as a promising material for hydrogen storage.     

碳纳米管对对硝基苯胺和N，N-二甲基苯胺的吸附

测定了不同温度下碳纳米管对水溶液中对硝基苯胺和N,N-二甲基苯胺的吸附等温线,探讨了其吸附热力学特性和机理．研究结果表明：在实验范围内,碳纳米管对两种化合物的吸附都能较好的符合Freundlich模型,两种物质的吸附都是放热和熵减小的自发过程；吸附过程均具有物理吸附特征．     

吸附树脂对油气分子吸脱附性能实验研究*

吸附材料的性能对油气分子吸附过程起着关键性的作用。系统表征了三种吸附树脂材料(HX-1型、HX-2型和HX-3型)孔结构信息,计算了相应的标准特征吸附能,考察了其初次吸附钝化过程和动态吸附过程特性。实验结果表明,三种吸附树脂均具有丰富的微孔和介孔分布,其中HX-1型树脂的微孔孔容与微孔占有率最大,通过相应的标准吸附特征能可反映其微孔分布;三种吸附树脂的初次钝化吸附量和动态吸附量变化情况相似,均为HX-1型树脂最大,HX-2型树脂次之,HX-3型树脂最小。吸附树脂中的微孔分布决定了油气分子吸附过程,从而影响对应的吸附量。     

Effective identification of the three particle modes generated during pulverized coal combustion

Based on the mass fraction size distribution of aluminum （AI）, an improved method for effectively identifying the modes of particulate matter from pulverized coal combustion is proposed in this study. It is found that the particle size distributions of coal-derived particulate matter actually have three modes, rather than just mere two. The ultrafine mode is mainly generated through the vaporization and condensation processes. The coarse mode is primarily formed by the coalescence of molten minerals, while the newly-found central mode is attributed to the heterogeneous condensation or adsorption of vaporized species on fine residual ash particles. The detailed investigation of the mass fraction size distribution of sulfur （S） further demonstrates the rationality and effectiveness of the mass fraction size distribution of the AI in identifying three particle modes. The results show that not only can the number of particle modes be identified in the mass fraction size distributions of the AI but also can their size boundaries be more accurately defined. This method provides new insights in elucidating particle formation mechanisms and their physico-chemical characteristics.     

活性炭吸附二氧化碳性能的研究

采用常压流动吸附法研究了活性炭吸附剂在二氧化碳/氮气体系中对二氧化碳的动态吸附性能,比较了其吸附量、吸附穿透曲线和吸附性能的差异,研究了活性炭的比表面积、孔径分布及表面官能团对其二氧化碳吸附性能的影响。结果表明,原料煤的性质影响活性炭对二氧化碳的吸附性能;二氧化碳的吸附量与吸附剂的比表面积、孔径分布有关,但孔径分布是主要的因素。吸附剂的孔径分布在0.5～1.7nm范围内时,有利于对二氧化碳的吸附;经多次循环吸脱附后,吸附剂对二氧化碳的吸附量略有减小并达到恒定值,孔容小和孔径分布窄的吸附剂的吸附量衰减较快。     

活性炭-甲醇工质对吸附制冷相关性能研究

以活性炭-甲醇作为工质对,采用静态重量法对其进行吸附等温线测定,目的在于研究该工质对与吸附制冷相关的吸附率、吸附速度和吸附热等性质.试验数据分析表明,吸附率可以D-A方程较好的描述,回归得出了相应的方程参数.吸附速度一般以Sakoda-Suzuk i方程描述,研究发现,方程中的吸附速度常数不只是温度的函数,它同时还受系统压力的影响,因此对原方程作了相应的改进.吸附热通过两种途径分别求取,一是利用实测吸附等温线,二是利用由特性吸附曲线预测的吸附等温线,第二种方法可以更为清晰地描述吸附热的变化规律.     

活性炭孔隙结构在其丙酮吸附中的作用

为了探讨活性炭孔结构对其吸附的影响,分别用氮气绝热吸附、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR),对活性炭表面物化性质进行表征。并以丙酮为吸附质,在温度为298.15 K下进行静态和动态吸附实验,研究丙酮在活性炭上的吸附平衡、吸附动力学与吸附能。结果表明:活性炭样品的丙酮饱和吸附容量与活性炭的比表面积、总孔容有正相关关系。孔径在1.67~2.22 nm之间的孔容和丙酮吸附量之间存在较好的线性关系,且线性斜率随丙酮浓度增加而变大。丙酮吸附行为符合Langmuir吸附等温模型和准二级动力学方程式。活性炭的孔是丙酮吸附速率主要制约因素,各吸附阶段吸附速率主要制约因素分别为:快速吸附阶段为微孔、中孔,颗粒内扩散阶段为微孔,吸附末尾阶段为中孔。丙酮在活性炭表面的覆盖率是丙酮分子与吸附剂内吸附位的作用结果,孔结构不同,吸附位分布不同,丙酮表面覆盖率小的活性炭吸附能大,表明活性炭孔结构对其吸附能产生影响。