大豆蛋白-聚丙烯酰胺/复合盐抗冻凝胶电解质的制备及其应用

以大豆蛋白(SPI)、丙烯酰胺(AAm)、ZnCl₂、LiCl为原料,制备得到一种具备抗冻性能的大豆蛋白-聚丙烯酰胺复合盐(SPI-PAAm/ZnCl₂-LiCl)抗冻凝胶电解质,并将其应用到混合电容器中,考察器件在低温下的电化学性能。研究结果表明：ZnCl₂和LiCl的加入,破坏了凝胶电解质中水分子间氢键,并赋予凝胶电解质优异的低温离子电导率和较好的低温力学性能。当ZnCl₂与LiCl物质的量比为5∶12时,此条件下的抗冻凝胶电解质性能最优。在-70℃下,抗冻凝胶电解质经历100次应变为100%的循环拉伸测试仍保持结构完整,应力保持率>65%,塑性变形率<25%,能量损耗系数<0.35。基于此抗冻凝胶电解质的混合电容器在低温下仍具备良好的电化学性能,在-80℃下可以正常工作,低温环境下能量密度集中在50～200 Wh/kg,功率密度集中在1 000～30 000 W/kg,即便在-70℃下,混合电容器的功率密度接近1 000 W/kg,能量密度>10 Wh/kg。同时,在-...     

大豆蛋白水凝胶电解质的制备及在固态超级电容器中的应用

以大豆蛋白(SPI)和丙烯酰胺(AAm)为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,氯化锂为电解质盐,N,N,N,N′-四亚甲基乙二胺(TEMED)为促进剂制备得到大豆蛋白水凝胶电解质,探究了其力学性能以及组装成超级电容器后的电化学性能。研究结果表明:制得的大豆蛋白水凝胶电解质具有优异的弹性以及耐疲劳性能,这是由于SPI纳米颗粒通过塑性变形及相互摩擦耗散外力,聚丙烯酰胺网络维持结构完整。在经历80%的压缩应变循环100次后,应力保持率始终在100%以上,塑性变形率低于7%,能量损耗系数小于0.2。另外,该水凝胶电解质具有较高的离子电导率,可与聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNTs)纸复合电极组装成固态超级电容器。当水凝胶电解质的含水率由60%增加到90%,经GCD方法计算得到固态超级电容器的比电容由58 F/g增加到83 F/g;在1.2 A/g的电流密度下,固态超级电容器的能量密度为3.95～6.86 W·h/kg,功率密度为206.69～226.99 W/kg,与已报道的超级电容器的能量密度和功率密度进行比较,均表现出高能量密度和高功率密度优势,...     

具有抗冻特性的水凝胶电解质的制备及其在固态超级电容器中的应用

以大豆蛋白(SPI)、聚乙烯醇(PVA)和丙烯酰胺(AAm)为原料,过硫酸铵(APS)为引发剂,N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,氯化锂为电解质盐,N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)为促进剂制备得到具有抗冻特性的SPI-PVA-PAAm/LiCl水凝胶电解质,在低温条件下,探究了其力学性能以及...     

pH敏感型葡萄糖基水凝胶的制备及溶胀性能测试

以葡萄糖为模板化合物,利用甲基丙烯酸缩水甘油醚对其改性后与丙烯酸、丙烯酰胺进行共聚反应,再经冷冻干燥,制备了具有pH值敏感特性的葡聚糖基水凝胶,并表征了其结构,优化了制备条件。结果表明:最佳条件为葡萄糖/丙烯酸/丙烯酰胺质量比为1∶4∶4,交联剂用量0.5%,引发剂用量1%,反应温度为65℃,在此条件下,水凝胶的平衡溶胀度可达90.5 g/g。研究发现该葡聚糖基水凝胶在同一pH值介质中的溶胀度随时间延长而增大,最后趋于平衡;其在无酶人工肠液(p H值7.4)中的溶胀度明显高于无酶人工胃液(pH值1.2),且该凝胶在两种介质中基本无降解。     

各向异性纳米纤维素基水凝胶的制备及应用进展

纳米纤维素是天然一维纳米材料,具有高长径比、机械性能优良、独特的双折射效应等性质。基于纳米纤维素开发制备的各向异性水凝胶材料,表现出与皮肤、肌肉和软骨等天然组织相似的力学、光学、传质等性质的各向异性,在仿生工程、生物医学工程等领域具有优异的应用前景。围绕如何有效地利用纳米纤维素的自身结构特点开发高强度、功能性纳米纤维素基水凝胶,从制备方法、性质特征和应用3个角度,综述了近年来各向异性纳米纤维素基水凝胶的研究进展：系统总结了各向异性纳米纤维素基水凝胶材料自下而上和自上而下2种制备方法;重点阐述了其极高的力学强度、独特的双折射性质、可控的传质途径、各向异性导电、各向异性导热等优异特性;详细介绍了其在机械、显示、传感与生物医学等领域的应用情况。最后,根据各向异性纳米纤维素基水凝胶的研究进展,提出其探索低成本、简便的新型制备方法,提升其多功能性与构建其可预测的本构模型仍是各向异性纳米纤维素基水凝胶未来研究的重点。     

N,P共掺杂香蒲基炭气凝胶的制备、表征及其电化学性能

以香蒲花序为原料,NH₄H₂PO₄为掺杂剂,经酸性NaClO₂预处理、超声波细胞破碎处理、冷冻干燥、高温炭化制备N、P共掺杂香蒲基炭气凝胶(NPCA)。采用SEM、N₂吸附/脱附、XRD、XPS对NPCA的形貌、孔隙结构、晶相结构、表面化学组成进行表征,系统研究了掺杂量和炭化温度对NPCA电化学性能的影响。研究结果表明：NPCA是由无定形炭组成的三维网状立体结构;NPCA表面氮元素以吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)、石墨化氮(N-Q)和氧化氮(N-X)的形式存在,磷元素以P—O和P—C的形式存在。NH₄H₂PO₄的掺杂量和炭化温度影响NPCA的孔隙结构及表面化学结构。NPAC的较佳制备条件为：香蒲纤维素与NH₄H₂PO₄的质量比为1∶2,炭化温度800℃。此条件下制备的NPAC-2-800具有丰富的孔隙结构和表面官能团,比表面积为599.88 m...     

木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能

以纤维素纳米纤丝和多壁碳纳米管为主要原料,采用一步水热法、冰模板法冷冻干燥以及高温煅烧法,成功制得具有多级连通类木材管胞状孔结构的氮掺杂碳点的复合衍生碳气凝胶,并对其微观形貌、化学结构、比表面积和孔隙度进行表征。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试、交流阻抗测试和长循环测试等电化学表征手段分析其电化学性能。结果表明：碳气凝胶表面经高温煅烧得到大量氮、氧杂原子掺杂的碳微颗粒和碳微绒毛,提高了碳气凝胶的缺陷态结构含量和比表面积,其比表面积可达377.9 m²/g;在三电极测试体系下,比电容可达121.8 F/g(测试电流密度为0.2 A/g,电压窗口为-0.2～0.8 V);在2 A/g的电流密度下,进行5 000次充放电循环后,电容保持率可达131.7%。衍生碳气凝胶独特的微观形貌和高比表面积,为能量存储提供了更快速和便捷的电子/离子传输通道、优异的导电性和更高的比容量,为超级电容器等储能器件电极材料的设计提供了木基生物质资源利用的新思路。     

纳米纤维素基吸油气凝胶的制备及性能

以竹粉为原料制备纳米纤维素基体材料,以聚乙烯醇(PVA)为增强相,在酸性环境下采用冷冻干燥法制得PVA/CNFs(纳米纤维素)复合气凝胶;采用三甲基氯硅烷(TMCS)对其进行疏水改性处理,随后将其浸渍到还原氧化石墨烯(r GO)悬浮液中,最终制得疏水型r GO/PVA/CNFs复合气凝胶;通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、接触角(CA)和吸油性能测试,对所制气凝胶的微观形貌、化学结构、疏水性能及吸油性能进行表征。结果表明:制得的复合气凝胶密度为6.78 mg/cm3,具有均匀的三维网状多孔结构,且孔洞结构表面均被石墨烯片层覆盖;经过TMCS疏水处理后,在气凝胶表面形成疏水层结构。FT-IR和Raman分析表明,TMCS疏水改性处理并未改变PVA/CNFs复合气凝胶的化学结构。经疏水处理后气凝胶与水的接触角为138°左右,吸油倍率为78 g/g左右,且吸附过程迅速,饱油后也能悬浮于溶液表面,便于回收再利用。     

具有纳米结构的木材气凝胶基电极的制备及其电化学性能

超级电容器作为清洁可持续的储能设备,其电化学性能主要由电极材料决定,因此电极材料逐渐成为当前储能领域的研究热点。木材因其天然的多尺度微/纳米孔隙结构以及可再生、可生物降解等特点,逐渐被用于电极材料的研究。以巴沙木为基材,首先采用脱木素联合TEMPO氧化法将木材细胞壁分离具有纳米网络结构的木材气凝胶(TDW),然后将纳米纤维素分散的碳纳米管(CNT)悬浮液通过满细胞法浸渍到木材气凝胶中,冷冻干燥后在导管孔和细胞间隙中形成了连续的碳纳米管导电网络结构,最后进行聚吡咯(PPy)原位聚合,在细胞壁和导管孔中构建成具有纳米导电网络结构的TDW/CNT/PPy复合电极。电化学性能测试显示,由于在TDW的宏观孔隙中导电网络的构建,TDW/CNT/PPy的电化学性能明显优于TDW/PPy电极,而且随着碳纳米管比例的增加而增强,其中,TDW/CNT-2/PPy在1.0 mA/cm²扫描速率下的比电容达到389 F/g、面电容为10.5 F/cm²,而且在10 mA/cm²扫描速率下经过10 000次循环后的电容保持率为95.1%。本研究通...     

木质纤维吸油气凝胶的制备及性能

大豆秸秆粉末经乙二胺(EDA)润胀消晶后溶解在LiCl/DMSO中,与甲基丙烯酸甲酯(MMA)及丙烯酸丁酯(BA)在交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和引发剂偶氮二异丁氰(AIBN)作用下反应,制得具有半互穿聚合网络木质纤维疏水吸油气凝胶,并利用FT-IR、SEM、流变仪和光学接触角等手段表征凝胶相关性能。研究发现:制得的气凝胶同时含有单体聚合交联网络和木质纤维链段,有明显的多孔三维网络结构,且具有良好的疏水吸油性能。可通过调节木质纤维与单体比例调控凝胶网络结构和疏水吸油性能。当木质纤维与单体比例为1∶4时,气凝胶结构最为疏松,孔隙增大,吸油性能最佳,其吸油量可达10.61 g/g(二甲苯)和7.41 g/g(食用油)。     

三甲基木质素基季胺盐-羧甲基纤维素聚电解质复合物的制备

以三甲基木质素基季胺盐(TLQAS)和羧甲基纤维素(CMC)为原料通过静电吸附制备聚电解质复合物,并表征其结构。首先制得三甲基环氧丙基氯化胺单体,再与碱木质素接枝反应,合成TLQAS;在不同pH值和物料比条件下进行三甲基木质素季胺盐和羧甲基纤维素作用,制备三甲基木质素季胺盐-羧甲基纤维素(TLQAS-CMC)聚电解质复合物,测得其含氮量2.11%;通过FT-IR、DSC、XRD对聚电解质复合物进行表征,结果表明:TLQAS-CMC聚电解质复合物存在;聚电解质复合物的热分解温度提高,热稳定性增强;XRD显示复合物排列无序,TLQAS-CMC复合物具有一定的吸水膨胀性能。     

木棉基炭气凝胶的制备、表征及其吸附性能研究

以木棉为原料,采用均质-常压干燥-炭化法制备出了中空管状的木棉基炭气凝胶(KFCA)。利用SEM、氮气吸附/脱附、XRD、拉曼光谱、FT-IR、XPS和接触角测试对KFCA的表面形貌、孔隙结构、晶相结构和表面化学组成进行表征,并以常见的有机溶剂及油类为吸附质研究了KFCA的吸附性能。研究结果表明:KFCA具有独特的中空管状结构,且表现出低密度、表面疏水、比表面积大和孔隙发达等优点。800℃炭化温度下制备的KFCA(KFCA-800)的水接触角为134.0°,比表面积为170.22 m²/g,平均孔径为4.022 nm,孔容积为0.22 cm³/g; KFCA-800由C、H、O组成,其中C主要以■和■官能团形式存在。炭化温度对KFCA吸附性能有一定的影响,其中以KFCA-800吸附性能最佳,对泵油、大豆油、二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、丙酮、正己烷、苯和二甲苯的吸附容量分别可达52.3、 34.15、 75.21、 72.26、 54.16、 52.79、 62.06和38.95 g/g。此外,KFCA可以通过简单的干燥和萃取-干燥法再生,K...     

各向异性PVA木基水凝胶的制备及其铜离子吸附性能

针对传统水凝胶生成的聚合物网络通常为各向同性,存在机械强度差、刚度低等问题。本研究以巴沙木为原料,通过冰模板法和淬火法,在定向排列的脱木素纤维素骨架中构筑具有纤维取向的聚乙烯醇(PVA)微纳网络,构建用于高效吸附水中铜离子的高强度各向异性PVA木基水凝胶(PWH),结合扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射、电子万能力学试验机表征复合水凝胶的形态结构和性能。实验结果表明：脱木质素工艺可以增加木质纤维的结晶度,PVA成功复合后保留了木材各向异性纤维骨架,脱木质素2 h的水凝胶(PWH-2)综合性能最优;PWH-2在5%应变下循环压缩80次后,样品能量损耗仅为0.022 8 MPa/mm,高度保持率高达97.37%,具有优异的抗压强度和弹性;PWH-2定向排列的多孔结构有助于铜离子在其内部迁移,提高吸附性能,在25℃、pH 5、铜离子质量浓度40 mg/L的模拟废液中,对铜离子的吸附率可达77.27%,经4次循环利用对铜离子的吸附率仍可达40.11%。动力学和等温线研究结果表明,PWH-2吸附铜离子过程满足拟一级动力学模型,遵循Langmuir等温线模型。该研究为构建高效可持续吸附重金...     

大豆蛋白基生物质胶黏剂的合成及热力学性能

以大豆蛋白为原料,研究了生物质大豆蛋白胶黏剂(SPA)的合成及热力学性能。在单因素试验基础上,采用GL9(34)正交平衡区组设计试验,对改性SPA的合成工艺进行了优化。结果表明:改性SPA优化合成工艺条件为硫脲用量1.5 mol,二氧化硅质量0.5 g,三聚磷酸钠质量3 g,最佳工艺下SPA(OSPA)胶接木质材料湿状胶合强度达1.01 MPa,与正交平衡区组设计第7组SPA(SPA7)相比,其胶合强度降低了10%,但胶合板压缩率减少了29.35%,多次验证,湿状胶合强度变异系数为1.7%,具有较高的实用性和稳定性。差示扫描量热仪(DSC)曲线上出现结晶吸热峰,且OSPA起始温度降低,峰值温度略提高,其热焓值由83.89 J/g升高到99.61 J/g;热重分析(TG)表明OSPA分解温度向高温偏移,至800℃时残炭率为25.20%,热稳定性提高。扫描电镜(SEM)分析表明OSPA界面出现诱发银纹,断面层形貌结合致密,改善了大豆蛋白基生物质胶黏剂的胶合强度及耐水性。