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基于电泳沉积法的Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene改性国产高模高强碳纤维

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复合材料学报 2024年第6期41卷 2968-2979页

作者：曹洪硕黄玲刘哲田艳红张学军北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能,采用连续化电泳沉积工艺,在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳... 详细信息

为提升国产高模高强碳纤维的表面特性及其复合材料的界面性能,采用连续化电泳沉积工艺,在国产高模高强碳纤维(BHM5碳纤维)表面构筑Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene纳米片层。通过SEM、XPS、动态接触角、INSTRON万能材料试验机对改性前、后BHM5碳纤维的表面形态、表面元素含量、表面润湿性及其复合材料的力学性能和断面形貌进行了表征,探讨了Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性BHM5碳纤维复合材料的界面增强机制。结果表明:经Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene改性后的BHM5碳纤维表面粗糙度和比表面积增加,具备了与环氧树脂基体良好的机械互锁能力。碳纤维表面极性基团的含量明显上升,表面润湿性得以增强。在15 V电压下对BHM5碳纤维处理2 min后,其复合材料的层间剪切强度达到82.54 MPa,相较于未处理的碳纤维制成的复合材料,提升了28.2%。

关键词：高模高强碳纤维电泳沉积复合材料 Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene 界面性能

碳纳米管膜层间增强增刚碳纤维增强树脂基复合材料的压缩强度与导热性能

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复合材料学报 2024年第3期41卷 1235-1248页

作者：朱再斌凌辉杨小平李刚王超北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029 航天材料及工艺研究所北京100076

近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注,而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF),采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环... 详细信息

近年来结构功能一体化碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)受到广泛关注,而高强、高模和高导热的碳纳米管膜的层间增强增刚技术为此提供了新思路。本文基于原始的碳纳米管膜(P-CNTF),采用湿拉伸法和环氧化反应制备了取向、环氧化和取向-环氧化碳纳米管膜(S-CNTF、E-CNTF和S-E-CNTF),分别用于层间增强增刚CFRP(分别记作CFRP/S-CNTF、CFRP/E-CNTF和CFRP/S-E-CNTF),分析了碳纳米管膜的物化特性和拉伸性能,并结合Jumahat的联合预测模型和实验验证研究了碳纳米管膜对CFRP的纵向压缩强度和失效机制的影响,同时探讨了CFRP的面内导热性能及其导热机制。结果表明:相较P-CNTF,S-E-CNTF膜内碳管呈现高度取向的集束状态,表面化学活性明显增强,使其拉伸强度和模量分别提高到116 MPa和6.3 GPa。对比于CFRP,CFRP/S-E-CNTF的面内剪切模量和层间剪切强度分别提高了28.3%和34.2%,表明SE-CNTF能有效增强CFRP抵抗剪切变形和裂纹扩展的能力;模型预测表明CFRP/S-E-CNTF的理论弹性压缩应力和塑性压缩应力分别提高了30.7%和32.3%,并且与实验结果吻合较好;同时基于S-E-CNTF在CFRP层间区域构建的三维导热网络,CFRP/S-E-CNTF的面内导热系数提高到了7.8 W/(m·K)。

关键词：碳纳米管膜碳纤维增强树脂基复合材料层间增强层间增刚纵向压缩强度面内导热性能

硫掺杂碳包覆Fe_(0.95)S_(1.05)纳米球复合材料的储钠性能

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物理化学学报 2024年第6期40卷 44-53页

作者：肖雪李佳纯孟祥桐邱介山北京化工大学化学工程学院有机无机复合材料国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室北京100029

铁硫化物因其较高的理论容量,被认为是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而,铁硫化物在充放电过程中存在较大的体积变化,导致其倍率性能和稳定性较差。本文通过简单的一步法策略,制备了一种具有三维簇状结构的硫掺杂碳包覆的Fe_(0.9... 详细信息

铁硫化物因其较高的理论容量,被认为是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而,铁硫化物在充放电过程中存在较大的体积变化,导致其倍率性能和稳定性较差。本文通过简单的一步法策略,制备了一种具有三维簇状结构的硫掺杂碳包覆的Fe_(0.95)S_(1.05)纳米球(Fe_(0.95)S_(1.05)@SC),并研究了其储钠性能。硫掺杂碳层可提高材料的导电率,缓解Fe_(0.95)S_(1.05)纳米球在反应过程中产生的体积膨胀,故提升了材料的稳定性。Fe_(0.95)S_(1.05)@SC的相互贯通的簇状结构,为电子和离子的传输提供了通道,使材料具备优异的倍率性能。在半电池体系中,Fe_(0.95)S_(1.05)@SC在0.1A·g^(-1)下循环100圈后,保留614.7 m Ah·g^(-1)的高比容量,10 A·g^(-1)下比容量仍可以达到235.7 m Ah·g^(-1)。在全电池体系中,在0.1和10 A·g^(-1)时,Fe_(0.95)S_(1.05)@SC的可逆容量分别为482.8和288.3 m Ah·g^(-1)。该材料具有良好电化学性能,在钠离子电池中具有广阔的应用前景。

关键词：钠离子电池负极硫掺杂碳 Fe_(0.95)S_(1.05)@SC电极

基于机器学习的MOFs材料研究进展:能源气体吸附分离

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化工学报 2024年第4期75卷 1370-1381页

作者：文一如付佳刘大欢北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室北京100029 青海大学化工学院青海西宁810016

金属有机框架(MOFs)由于其高孔隙率和超高的比表面积在气体吸附和分离领域受到广泛关注,金属有机框架数据库也因此丰富。使用高通量计算筛选方法可以提供丰富的结构性质和性能数据,有利于从大量的金属有机框架材料中筛选具有高性能的材... 详细信息

金属有机框架(MOFs)由于其高孔隙率和超高的比表面积在气体吸附和分离领域受到广泛关注,金属有机框架数据库也因此丰富。使用高通量计算筛选方法可以提供丰富的结构性质和性能数据,有利于从大量的金属有机框架材料中筛选具有高性能的材料。为了充分挖掘数据内的信息,将机器学习用作辅助工具,可以揭示隐含的金属有机框架结构和性能关系;能够对金属有机框架材料在不同应用中的性能趋势有更多的理解。特别是在气体储存和分离方面,机器学习方法也被广泛应用。从适用于机器学习工作的金属有机框架的描述符,利用机器学习方法筛选及预测材料性质等方面综述了机器学习预测和设计应用于可燃气体吸附分离的金属有机框架材料的最新研究进展,加快金属有机框架的设计和开发步伐,指引材料的合成方向和规律,降低了人力物力成本。

关键词： MOFs 吸附分离计算机模拟机器学习

大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣共热解特性及应用

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北京化工大学学报（自然科学版） 2024年第4期51卷 13-22页

作者：李雪光左晓宇代建军刘广青张瑞红北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

将大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣两种固体废弃物以不同比例混合后进行共热解,采用元素分析、扫描电子显微镜(SEM)、N_2吸附-脱附法(BET)对得到的共热解炭进行表征,并将共热解炭循环应用到玉米秸秆厌氧发酵环境中,考察共热解炭对厌氧... 详细信息

将大豆皂脚与玉米秸秆厌氧发酵沼渣两种固体废弃物以不同比例混合后进行共热解,采用元素分析、扫描电子显微镜(SEM)、N_2吸附-脱附法(BET)对得到的共热解炭进行表征,并将共热解炭循环应用到玉米秸秆厌氧发酵环境中,考察共热解炭对厌氧发酵过程的影响。结果表明:共热解炭的产率随着沼渣加入量的增大而增大;沼渣加入量较少时,可以促进共热解气的生成,但对共热解液的产生有较弱的抑制作用;共热解炭的比表面积和平均孔径介于两种单一热解炭之间,并且平均孔径随沼渣加入量的增大呈减小趋势;将大豆皂脚与沼渣的质量比为4∶3下制备的共热解炭加入厌氧发酵系统中,发酵30 d时累积产气量达到390.80 mL/g,累积产甲烷量达到213 mL/g,累积产气量达到总产气量80%所需要的时间t_(80)为(14±1) d,比不添加热解炭的空白组提前了12.5%。

关键词：大豆皂脚玉米秸秆厌氧发酵沼渣共热解厌氧发酵

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激光辐照碳纤维石墨化均匀性及力学性能分析

化工进展 2024年

作者：万凯杨卫民丁奇胜殷荣政李好义谭晶北京化工大学机电工程学院北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室

为解决激光辐照碳纤维石墨化不均匀、模量差别大的问题，本文通过实验研究了单、双侧高斯激光辐照碳纤维，确定了碳纤维石墨化不均匀性是由激光光强分布和纤维束传热引起的温度不均导致的，采用光强分布均匀的平顶激光辐照薄层化碳纤维... 详细信息

为解决激光辐照碳纤维石墨化不均匀、模量差别大的问题，本文通过实验研究了单、双侧高斯激光辐照碳纤维，确定了碳纤维石墨化不均匀性是由激光光强分布和纤维束传热引起的温度不均导致的，采用光强分布均匀的平顶激光辐照薄层化碳纤维显著提高了碳纤维石墨化的均匀性，对比了高斯激光直接辐照碳纤维与平顶激光辐照薄层化碳纤维的力学性能变化，通过Weibull分布函数对碳纤维力学性能的离散性进行统计分析。结果表明：通过平顶激光辐照薄层化碳纤维的石墨化均匀性得到显著提高，平均拉伸模量从227.37GPa提高至311.90GPa，提高了37.18%，相较于高斯激光直接辐照，平顶激光辐照薄层化碳纤维的拉伸模量变异系数由44%降低至12%，模量的Weibull模数显著提高，离散性降低。

关键词：碳纤维石墨化激光力学性能 Weibull

高通量合成装置强化金属催化剂制备过程的研究进展

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化工进展 2024年第1期43卷 246-259页

作者：衡霖宇邓卓然程道建魏彬赵利强北京化工大学机电工程学院北京100029 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029 北京化工大学化学工程学院北京100029 北京化工大学信息科学与技术学院北京100029

催化剂性能受制备过程多种因素影响,为优化催化剂制备配方与工艺条件,通常需要大量人工操作的实验试错过程,由此造成的低效率与低精度不可避免。在机械自动化控制水平不断发展的背景下,高通量合成装置的研发与投用将提升实验制备催化剂... 详细信息

催化剂性能受制备过程多种因素影响,为优化催化剂制备配方与工艺条件,通常需要大量人工操作的实验试错过程,由此造成的低效率与低精度不可避免。在机械自动化控制水平不断发展的背景下,高通量合成装置的研发与投用将提升实验制备催化剂过程的效率、精度与安全性。本综述从金属催化剂常用的合成方法(包括浸渍法、离子交换法、化学气相沉积法和沉淀沉积法)出发,阐述了薄膜沉积法、微流控技术、自动合成机器人、喷墨打印法等高通量合成装置如何协助强化催化材料制备过程和加速催化剂配方优化进程。本文将着重分析金属催化剂制备工艺的需求与高通量合成装置特征之间的一一对应关系。金属催化剂合成过程对高通量合成技术的需求日益增加,构建一种与合成工艺相适配、实用的金属催化剂高通量合成平台,可以为催化剂的研究带来巨大的推动力。

关键词：催化剂制备优化设计合成装置高通量

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激光辐照碳纤维温度均匀性仿真分析

北京化工大学学报（自然科学版） 2024年第4期51卷 59-66页

作者：万凯谭晶丁奇胜罗丽华吴雪松杨卫民北京化工大学机电工程学院北京100029 北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室北京100029

为解决激光辐照碳纤维温度不均匀引起的石墨化不均匀、模量差别大的问题,利用COMSOL软件建立了高斯与平顶激光辐照碳纤维热传导-热对流-热辐射的仿真模型,对比分析了高斯光强和平顶光强激光辐照碳纤维的升温特性以及温度分布,研究了不... 详细信息

为解决激光辐照碳纤维温度不均匀引起的石墨化不均匀、模量差别大的问题,利用COMSOL软件建立了高斯与平顶激光辐照碳纤维热传导-热对流-热辐射的仿真模型,对比分析了高斯光强和平顶光强激光辐照碳纤维的升温特性以及温度分布,研究了不同激光辐照下,碳纤维的表面、截面温度分布以及达到烧蚀温度后碳纤维的烧蚀情况。实验结果表明:平顶激光辐照碳纤维的表面、截面温度分布较高斯激光更均匀,整体温差更小;不同激光辐照碳纤维的烧蚀深度呈线性变化,并且平顶激光辐照碳纤维的烧蚀速率更小。因此,平顶激光相较于高斯激光可控性更高,辐照碳纤维的温差更小,使其石墨化程度更均匀。

关键词：碳纤维石墨化传热相变数值模拟

理论研究Cu@C_(2)N催化剂表面上水分子对电催化CO_(2)还原反应机理的影响

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物理化学学报 2024年第1期40卷 24-25页

作者：徐涵煜宋雪旦张青于畅邱介山大连理工大学化工学院辽宁省能源材料化工重点实验室精细化工国家重点实验室辽宁大连116024 北京化工大学化学工程学院有机无机复合材料国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室北京100029

电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)的反应途径涉及多个质子-电子对转移,在水溶剂条件下,质子的来源是水分子,考虑水分子对质子-电子对的转移机制十分必要。本研究提出水辅助氢穿梭模型,与常用的以氢原子作为氢源的直接加氢模型对比,研究... 详细信息

电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)的反应途径涉及多个质子-电子对转移,在水溶剂条件下,质子的来源是水分子,考虑水分子对质子-电子对的转移机制十分必要。本研究提出水辅助氢穿梭模型,与常用的以氢原子作为氢源的直接加氢模型对比,研究水分子在CO_(2)RR中对质子-电子对转移的影响。采用密度泛函理论,系统地研究了铜原子嵌入C_(2)N单层催化剂(Cu@C_(2)N)和石墨烯作为衬底的Cu@C_(2)N/石墨烯复合催化剂(Cu@C_(2)N/G)表面上不同加氢模型的CO_(2)RR反应机理。在水辅助氢穿梭模型中,氢原子与水分子结合形成水合质子,水合质子将自身的氢原子转移到催化剂表面的反应物上形成反应中间体,增强了中间体与催化剂之间的相互作用。此外,在Cu@C_(2)N/G催化剂中,石墨烯将电子转移到表面的Cu@C_(2)N上,提高了催化剂的CO_(2)RR催化活性。进一步,计算了Cu@C_(2)N和Cu@C_(2)N/G催化剂上CO_(2)RR和析氢反应的极限电位,讨论催化剂的活性和选择性。结果表明CO_(2)在低电位下容易生成HCOOH,施加高电位时可以生成CO、CH3OH和CH4并伴随着H2的生成。

关键词： CO_(2)还原反应电催化氮掺杂石墨烯水辅助氢穿梭反应机理密度泛函理论