关键词： 光催化材料   木材遗态结构氧化铈   碳量子点   制备工艺   微观形貌   催化性能  

摘要： 日益严重的环境污染与资源紧缺促进了半导体光催化剂的研究发展，在半导体光催化的研究中有3个方向，一是选择催化剂的体系;二是催化剂的掺杂、修饰或负载;三是合成工艺与制备方法的研究。笔者选取了近年来备受关注的二氧化铈光催化剂，还用木粉为原料制备出的碳量子点对氧化铈进行了修饰，采用了木材模板法的遗态转化工艺制备仿生木材结构的氧化铈。本研究将木粉基碳量子点与木材遗态结构氧化铈制备成新型催化剂，分别研究了碳量子点与遗态结构氧化铈的各项性能，并对其光催化降解亚甲基蓝的性能进行了测试，主要研究结果如下:　　1、用木粉和柠檬酸、乙二胺在水热反应釜中，200℃下反应6h，成功合成了氮掺杂的碳量子点。氮掺杂碳量子点的平均粒径为3.81nm，较未掺杂的碳量子点减小了10％，晶格间距为0.35nm，对应石墨结构的002晶面，表面含有大量的氨基、羟基、羧基等含氧、含氮官能团。碳量子点在浓度较低时能够显示蓝紫光，而在浓度较高的时候为青色;荧光发射与浓度、激发光波长有关，会随着激发波长的增大而红移;氮掺杂的碳量子点的荧光量子产率高达43.38％，超过绝大部分报道的生物质基碳量子点，荧光寿命为14ns。木粉基碳量子点具有良好的水溶性，能够直接用作钢笔墨水和印章油墨用作防伪荧光标记，且图案具有良好的耐候性和稳定性，经过半年多时间的自然老化依然保持有明亮的荧光。　　2、在对木材遗态结构氧化铈的研究中，本研究将木材遗态结构氧化铈与传统水热法制备出的正方体型氧化铈进行了对比。结果表明，氧化铈经过木材遗态转化工艺后能够较为完整地复制木材模板的多尺度分级孔结构，相较于传统水热法氧化铈，木材模板法的氧化铈要更加蓬松，BET面积增加了一倍，平均孔径为5.38nm，减小了73％;木材遗态结构氧化铈显示出各向异性的特征，电子衍射花样为圆环，结晶度有所下降，电荷分离效率更高;遗态工艺转化的氧化铈具有更高的电子活性，活性氧含量更高，降低了电子空穴复合效率;木材遗态结构氧化铈带隙为3.3eV，最大紫外吸收波长在335nm左右。亚甲基蓝降解测试结果显示，木材遗态结构氧化铈能够大幅度提高催化的效率和速率。　　3、对碳量子点、木材遗态结构氧化铈的复合材料进行了研究，结果发现，碳量子点掺杂不会改变木材遗态结构氧化铈的表面形态和结晶性质，而且由于碳量子点会堵住氧化铈中的一些孔。因此复合材料的比表面积有所下降，孔体积稍微减少，平均孔径也有所变大。但是，由于碳量子点本身也具有大量的活性氧，因此复合材料的活性氧含量略提高。复合材料的最大紫外吸收位于400hm，禁带宽度2.5eV，光催化速率提升了40％左右。

关键词： adsorption   ammonia nitrogen   biomorph-genetic composite   ginkgo shell   hydroxyapatite   吸附   复合材料   氨   白果壳   羟基磷灰石   Language of Keywords: English   Chinese  

摘要： 为综合利用农林废弃物，以白果壳为植物模板、羟基磷灰石（HAP）为改性材料，制备了白果壳遗态HAP/C 复合材料 （PBGC-HAP/C-G），并通过X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）和扫描电镜（SEM）等对其进行了表征，同时研究了 溶液pH、初始浓度、吸附剂投加量等对其去除水中氨氮的影响。结果表明，PBGC-HAP/C-G是一种大孔材料，孔径主要介于35~ 200 μm之间。在溶液pH=5时，吸附效果最佳；吸附剂投加量的增加有利于氨氮的去除；粒径大小不是影响吸附效果的主要因素。 准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型能很好地描述该吸附过程，吸附过程以化学吸附为主。在氨氮初始浓度为20、50、 100 mg·L-1 时，拟合计算得到的理论平衡吸附量分别为0.45、1.10、2.15 mg·g-1，与实验测定值0.46、1.15、2.18 mg·g-1 相近，可见 PBGC-HAP/C-G可用作去除氨氮的吸附剂。 [ABSTRACT FROM AUTHOR]

关键词： 木材   遗态材料   树皮   纤维素   智能驱动器   刺激响应  

摘要： 材料是人类生活和生产的物质基础,而寻求低成本、环境友好的智能材料已经成为当今社会发展的必然趋势。智能材料是指在一定的环境刺激(如光、磁、电、热、溶剂、湿度)下,可灵敏响应外部刺激而发生可逆驱动行为的新型材料。与传统材料相比,其具有功能性强、性能高等特点。尽管传统的智能驱动器材料设计取得了一定的进展,但这些驱动器仍然存在着原材料昂贵、合成技术复杂、条件要求苛刻、响应能力不足等缺点。因此开发设计一种低成本、通用、易于扩展的高性能智能驱动材料具有重要意义。本研究受自然界中松果、豆荚、小麦芒、芝麻等在干燥过程中因湿度变化而引起壳层打开和闭合现象,及树干与树皮共生现象的启发,通过巧妙的结构设计,仿生构建出基于木材遗态结构的“树干-树皮”型各向异性湿度响应双层驱动材料及基于木材遗态纤维素材料的多溶剂响应双层驱动材料,并对其分别用于湿度响应的智能衣服和多溶剂响应的气体传感器进行了概念验证。研究结果表明:(1)以杨树木材为原料,通过有序去除木素,结合压密化处理的方法获得了各向异性的取向纤维素透明膜材料;优化厚度为30μm的透明膜材料具有响应灵敏(362°·s)、变形能力强(≥180°)、机械强度大(402 Mpa)、起重重量比高(≥109倍)、透明度良好(81.2%)、可逆循环次数高(≥10000次)的优异特性,响应灵敏度远优于文献报道的纳米纤维素基湿度响应智能材料(36°·s),起重重量比远高于文献报道的PF/CNC湿度响应智能驱动器的起重比(8倍),且由于其各向异性,透明膜可在湿度环境中发生定向弯曲。将其与树皮(栎树软木)层复合,设计构建了可灵敏响应湿气的双层智能织物,其具有良好的湿热自适应性:当环境温度为-3℃时,该智能织物材料覆盖的人体皮肤外表温度可达18℃,较普通棉衬衫所致的外表温度(11.1℃)高约7℃,体现出良好的保温性;当环境温度为32℃时,人穿着该智能衣服时的体表温度为31.5℃,较穿着普通棉衬衫时的体表温度(35.1℃)低3.6℃,体现出一定的降温特性;该设计结构的智能材料具有高达0.02g·cm·h的水蒸气透过率,而传统的透气性较高的亚麻织物的水蒸气透过率仅为0.013g·cm·h。即该智能驱动材料做衣织物时,在炎热和寒冷环境下,均展现出了良好的智能湿热自适应特性;此外,其还具有拉伸强度大(294 Mpa)、耐污防污性能优异、防霉效果好、耐候性优异等性能,远较传统的纺丝、皮革等衣物织料性能优异,是智能衣服的潜在候选材料。(2)以上述取向纤维素透明膜为基底,在其上覆盖醋酸纤维素膜,设计出双层结构复合膜:其具有响应灵敏(20.4°·s)、弯曲变形大(≥102°)、可响应不同溶剂型气体(水、丙酮、氨水、无水乙醇、正丁醇、异丙醇、环己烷)的优异特性。研究进一步模拟探索了它实时检测环境气体的功能,概念验证了它的气体传感作用。上述结果表明,本研究设计构建的智能驱动材料应用于智能织物和智能气体传感领域具有可行性,在智能家居、智慧康养、软体机器人、智能人机交互等领域显现出潜在的应用空间,为未来设计更灵敏、绿色、扩展性强的智能材料提供了概念启发。

关键词： 碳量子点   木材遗态结构   氧化铈   光催化  

摘要： 日益严重的环境污染与资源紧缺促进了半导体光催化剂的研究发展,在半导体光催化的研究中有3个方向,一是选择催化剂的体系;二是催化剂的掺杂、修饰或负载;三是合成工艺与制备方法的研究。笔者选取了近年来备受关注的二氧化铈光催化剂,还用木粉为原料制备出的碳量子点对氧化铈进行了修饰,采用了木材模板法的遗态转化工艺制备仿生木材结构的氧化铈。本研究将木粉基碳量子点与木材遗态结构氧化铈制备成新型催化剂,分别研究了碳量子点与遗态结构氧化铈的各项性能,并对其光催化降解亚甲基蓝的性能进行了测试,主要研究结果如下:1、用木粉和柠檬酸、乙二胺在水热反应釜中,200℃下反应6h,成功合成了氮掺杂的碳量子点。氮掺杂碳量子点的平均粒径为3.81nm,较未掺杂的碳量子点减小了 10%,晶格间距为0.35nm,对应石墨结构的002晶面,表面含有大量的氨基、羟基、羧基等含氧、含氮官能团。碳量子点在浓度较低时能够显示蓝紫光,而在浓度较高的时候为青色;荧光发射与浓度、激发光波长有关,会随着激发波长的增大而红移;氮掺杂的碳量子点的荧光量子产率高达43.38%,超过绝大部分报道的生物质基碳量子点,荧光寿命为14ns。木粉基碳量子点具有良好的水溶性,能够直接用作钢笔墨水和印章油墨用作防伪荧光标记,且图案具有良好的耐候性和稳定性,经过半年多时间的自然老化依然保持有明亮的荧光。2、在对木材遗态结构氧化铈的研究中,本研究将木材遗态结构氧化铈与传统水热法制备出的正方体型氧化铈进行了对比。结果表明,氧化铈经过木材遗态转化工艺后能够较为完整地复制木材模板的多尺度分级孔结构,相较于传统水热法氧化铈,木材模板法的氧化铈要更加蓬松,BET面积增加了一倍,平均孔径为5.38nm,减小了 73%;木材遗态结构氧化铈显示出各向异性的特征,电子衍射花样为圆环,结晶度有所下降,电荷分离效率更高;遗态工艺转化的氧化铈具有更高的电子活性,活性氧含量更高,降低了电子空穴复合效率;木材遗态结构氧化铈带隙为3.3eV,最大紫外吸收波长在335nm左右。亚甲基蓝降解测试结果显示,木材遗态结构氧化铈能够大幅度提高催化的效率和速率。3、对碳量子点、木材遗态结构氧化铈的复合材料进行了研究,结果发现,碳量子点掺杂不会改变木材遗态结构氧化铈的表面形态和结晶性质,而且由于碳量子点会堵住氧化铈中的一些孔。因此复合材料的比表面积有所下降,孔体积稍微减少,平均孔径也有所变大。但是,由于碳量子点本身也具有大量的活性氧,因此复合材料的活性氧含量略提高。复合材料的最大紫外吸收位于400nm,禁带宽度2.5eV,光催化速率提升了 40%左右。

关键词： 生物质碳材料   钾离子电池   负极   超级电容器   储能  

摘要： 随着电子设备、电动汽车等产品的发展,人们对高能量密度储能设备的需求越来越迫切。电极材料作为储能设备的重要组成部分,已成为研究人员关注的重点。生物质碳材料因其原材料资源丰富且具有优异的结构为人们所关注,研究发现,通过从生物质废料前驱物热解得到的生物质碳材料作为钾钠锂离子电池负极有着较好的电化学性能。本文以玉米皮和核桃分心木作为原材料,以不同手段改性并研究其电化学性能:首先以玉米皮为原材料、氢氧化钾为活化剂,制备具有多孔结构及不同比表面积的生物质碳材料作钾离子电池负极。结果表明,未经活化的低比表面积碳材料具有更高的电化学性能。其在0.1 A g-1的电流密度下首次充放电容量分别为231.0和396.2 mAh g-1,初始库仑效率为58.3%,经过100次循环后可逆容量仍有205.8 mAh g-1。这是因为未活化的碳材料具有更高的结构稳定性,有利于钾离子的传输,从而提高负极材料的充放电性能及循环稳定性;其非常低的比表面积也赋予负极更高的首次库伦效率。其次以核桃分心木为原材料、尿素为氮源,制备了氮掺杂生物质碳材料作钾离子电池负极。结果表明,掺氮后生物质碳负极材料氮含量约为5.45 at%,且电化学性能明显升高。具体地,在0.1 A g-1的电流密度下首次充放电容量分别为263.6和478.4 mAh g-1。在第50次充放电后容量几乎没有损失。经过200次循环,电极的可逆容量为242.5 mAh g-1,容量保留率高达92.0%,并且在1 A g-1的大电流密度下循环1000次,容量仍达119.9 mAh g-1。主要的原因是碳材料中氮原子与碳原子形成吡咯氮、吡啶氮和石墨化氮,这三种氮的存在提高了钾离子的扩散速率以及碳材料的导电性,另外也使碳材料内部缺陷增加,为钾离子的储存提供更多的活性位点。再次以核桃分心木为原材料在不同温度下碳化,研究碳化温度对钾离子电池负极材料的影响。结果表明,在1000℃碳化的电极材料具有最优异的电化学性能,尤其在1 A g-1的大电流密度下具有极好的电化学稳定性和高的可逆容量。这可能是因为在低温下碳化的生物遗态碳材料缺陷多,以吸附储钾为主,随着温度增加,材料石墨化程度增大,扩散插层储钾提高,但石墨化的进一步增加,层间距减小,钾离子大的半径导致扩散困难,比容量下降,在1000℃形成临界点。最后以核桃分心木为原材料、氢氧化钾为活化剂,先碳化后活化制备超级电容器电极材料。研究发现,孔隙率高的大比表面积电极材料在超级电容器中电化学性能优异,具有极好的电化学稳定性和比电容。以倍率测试为例,电极材料在0.5 A g-1电流密度下具有255.3 F g-1,在8 Ag-1的电流密度下具有210.9 F g-1,容量保持率高达82.6%,且在8 A g-1的大电流密度下循环5000次容量未衰减。

关键词： 植物遗态结构   溶胶浸渍法   Al2O3隔热材料   导热系数  

摘要： 高强低导热一直是隔热耐火材料的研究方向,为进一步提高传统植物造孔剂燃烬法制备隔热材料的强度、降低其导热系数,本论文以AlO隔热耐火材料为研究对象,将植物造孔剂燃烬法与遗态材料制备方法(溶胶凝胶法)相结合,引入溶胶浸渍植物造孔剂模板制备AlO隔热材料,主要研究内容包括:以二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅三种溶胶对植物造孔剂秸秆进行真空浸渍预处理,研究溶胶种类及浓度对造孔剂结构与性能的影响;并引入溶胶预处理秸秆为植物造孔剂模板制备隔热材料,对其孔结构与性能进行检测分析,探究植物遗态结构对隔热耐火材料性能的影响。结果表明:(1)造孔剂的吸胀性受溶胶种类影响较大,且随着溶胶种类的不同,其受溶胶浓度的影响程度也不尽相同;经溶胶浸渍后造孔剂回弹位移变化不大。在三种溶胶中通过以三氧化二铝溶胶作为浸渍剂可以实现在1200℃下较好保留秸秆原有的管孔结构,无松散和坍塌现象。(2)相较于以未处理秸秆为造孔剂时形成的不规则大孔,以溶胶浸渍秸秆为造孔剂制备AlO隔热材料时,大部分孔结构发生明显改变:以三氧化二铝溶胶和二氧化硅溶胶浸渍秸秆为造孔剂时,造孔剂衍生遗态结构可引起孔的形状、大小、分布等孔结构参数发生变化;而以二氧化锆溶胶浸渍秸秆为造孔剂时,由于二氧化锆晶型转变引起的体积变化,造孔剂遗态结构留存在不规则孔的内部。(3)对以经三种溶胶浸渍秸秆为造孔剂制备的隔热材料进行比较,确定引入3 wt%二氧化硅溶胶浸渍秸秆为造孔剂制备隔热材料的方案为本实验中的最优方案。经1110℃烧后其常温耐压强度高达48.64 MPa,800℃下的热导率为0.447 W/m·K,同时实现了导热系数的降低与材料强度的提高。并采用以实验值验证理论模型的方式,在Maxwell-Eucken基本模型的基础上,建立了可用于预测该隔热材料不同温度下有效导热系数的模型。

关键词： 遗态材料   白果壳   Fe/C   磷   吸附机制  

摘要： 为研究PBGC-Fe/C-G(白果壳遗态Fe/C复合材料)对水中磷的吸附特征,以PBGC-Fe/C-G为吸附剂,对吸附剂投加量、溶液体系pH、初始磷质量浓度、温度和吸附剂粒径为影响因素进行静态吸附试验分析,并结合SEM、EDS、XRD和FT-IR等手段对吸附前、后材料进行表征,以揭示PBGC-Fe/C-G的吸附除磷机制.结果表明:①当初始磷质量浓度<10 mg/L、吸附剂投加量为0.2 g/(50 mL)、溶液为酸性(pH=3)、反应温度为45℃、吸附剂粒径<0.149 mm时,吸附效果最佳,吸附量达1.62 mg/g.②准二级动力学模型和Freundlich吸附等温模型能较好地模拟PBGC-Fe/C-G对磷的吸附过程.③热力学结果显示,ΔG<0、ΔS>0和ΔH>0,说明PBGC-Fe/C-G对磷的吸附过程是自发、熵增的吸热过程.研究显示,PBGC-Fe/C-G吸附除磷主要通过配位作用、静电引力、等电荷离子交换和物理作用4种协同完成,其中Fe活性位与磷酸根离子的配位反应为主要的反应过程.

关键词： 预制体浸渗法   苎麻纤维织物   遗态结构   Al2O3-Cu  

摘要： 采用预制体浸渗法制备苎麻纤维织物遗态结构Al_2O_3-Cu复合材料,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱分析仪研究复合材料的物相组成及微观形貌,并进行拉伸试验研究。结果表明:Al_2O_3陶瓷预制体完整地保留了苎麻纤维织物遗态结构,经氧化浸渍形成了由CuO和偏铝酸亚铜(CuAlO_2)包覆Al_2O_3为组织特征的柱状铆接结构。经1020℃还原烧结,Cu相与本体Al_2O_3相和析出CuAlO_2相共融互渗,形成了由Cu保护层覆盖、以交叉片状组织(Cu+Al_2O_3+CuAlO_2)为内衬的Al_2O_3-Cu复合材料,其拉伸强度为10.73MPa。

关键词： 磷   复合材料   动态解吸   机制  

摘要： 以饱和吸附磷后的桉树遗态Fe/C复合材料(PBGC-Fe/C)为解吸对象,选择解吸液种类、解吸液浓度、流速和温度为影响因素开展动态解吸实验研究。结果表明:NaOH溶液为适宜的解吸液;0.10mol/L NaOH的动态解吸率可达85.39%;增大流速可缩短解吸时间,但过高的流速易导致流出液体积增加而带来二次污染风险;温度对解吸过程有轻微影响。通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)表征分析可知,PBGC-Fe/C表面的含氧官能团在解吸过程中至关重要,解吸过程主要由静电斥力作用以及表面配位协同完成。

ISBN: (纸本)9787511139399