电纺纳米纤维在环境催化和能量存储中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭泽宇，楠顶 著

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• 电纺纳米纤维
• 环境催化
• 能量存储
• 纳米材料
• 催化剂
• 储能材料
• 材料科学
• 化学工程
• 环境科学
• 纳米技术

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030544483

版次：31

商品编码：12249237

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-11-01

页数：232

字数：30000

正文语种：中文

内容简介

　　《电纺纳米纤维在环境催化和能量存储中的应用》从环境污染控制和能量储存的角度，深入浅出地总结了电纺纳米碳纤维及石墨烯复合功能材料用于室温下低浓度氮氧化物（NOx）的吸附和催化氧化，以及电纺多孔碳纳米纤维、硅碳复合电极材料用于锂离子电池负极材料的基本方法和基本理论。《电纺纳米纤维在环境催化和能量存储中的应用》共分为两个部分：第一部分为环境催化应用部分，第二部分为能量存储应用部分。第一部分共分为 6 章，阐述了通过静电纺丝技术制备的纳米碳纤维针对室温下低浓度氮氧化物（NOx）的吸附和催化氧化脱除技术和机理；第二部分共分为 6 章，阐述碳基和非碳基负极材料中颇具潜力的一维多孔碳和一维硅碳复合材料用于锂离子电池负极，通过改性提高其电化学性能并揭示其性能提升的原因和内在机制。《电纺纳米纤维在环境催化和能量存储中的应用》深入解析了制备方法-材料结构-环境/储能功能之间的相互关系，并分别提出了环境催化材料和锂离子电池负极材料发展中有待解决的科学问题。

目录

目录
序
前言
第一部分 环境催化应用
第1章 绪论 3
1.1 氮氧化物（NOx）简介 3
1.2 多孔碳材料对氮氧化物的吸附和催化 5
1.2.1 活性炭对氮氧化物的吸附和催化 5
1.2.2 活性碳纤维对氮氧化物的吸附和催化 8
1.2.3 碳纳米管和活性碳纳米纤维对氮氧化物的吸附及催化 12
1.3 碳纳米纤维的制备方法 18
1.3.1 化学气相沉积法 18
1.3.2 模板法 20
1.3.3 静电纺丝法 24
第2章 电纺碳纳米纤维的制备及分析测试方法 28
2.1 电纺制备碳纳米纤维在NOx 吸附和催化转化方面的研究进展 28
2.2 纳米碳材料用于室温下氮氧化物（NOx）的催化氧化 32
2.3 室温下对氮氧化物（NOx）的脱除难点及研究方法 33
2.4 试剂与主要实验设备 34
2.5 纳米纤维的制备装置 35
2.6 材料的制备方法与处理工艺 35
2.7 材料与样品的表征方法 36
2.8 NOx吸附和催化氧化性能测试 37
第3章 碳/碳纳米复合纤维的制备及对NO 的催化氧化性能研究 39
3.1 引言 39
3.2 静电纺丝法制备PAN/GO 复合碳纳米纤维及其表征 40
3.2.1 实验方法 40
3.2.2 氧化石墨烯制备过程与表征 41
3.2.3 电纺复合纳米纤维原丝形貌及表征 43
3.2.4 碳纳米复合纤维的微观形貌及其表征 45
3.2.5 PAN/GO复合碳纳米纤维的结构和石墨化度 48
3.2.6 PAN/GO复合碳纳米纤维的比表面积和孔结构 50
3.2.7 活性碳纳米复合纤维的表面性质与基团 52
3.2.8 碳/碳纳米复合纤维对NO 的催化氧化性能测试 57
3.3 GO含量对纳米纤维可纺性探究及其对纤维结构和性能的影响 60
3.3.1 氧化石墨烯的添加量对复合纳米纤维可纺性探究 60
3.3.2 GO含量最大时对纳米纤维的形貌和结构的影响 61
3.3.3 GO含量最大时对纳米纤维的比表面积和孔结构影响 62
3.3.4 GO含量最大时对纳米纤维的石墨化度和NO 催化性能影响 62
3.3.5 不同活化气体对NO 催化氧化性能影响 63
3.4 GO含量最大时处理温度对纳米纤维形貌和结构的影响 64
3.4.1 更高温度处理对复合纳米纤维结构的影响 64
3.4.2 空心纳米纤维的石墨化度和成分分析 66
3.4.3 石墨烯空心纳米管的形成机理分析 67
3.5 碳纳米纤维对NO 催化氧化反应机制及理论分析 68
3.6 本章小结 72
第4章 石墨烯纳米纤维的制备及其对NO 的催化氧化性能研究 74
4.1 引言 74
4.2 PAN 与鳞片石墨氧化后所得GO 混纺制备石墨烯纳米纤维 75
4.2.1 实验方法 75
4.2.2 电纺石墨烯纤维的微观形貌 75
4.2.3 石墨烯纤维的比表面积和孔结构表征 79
4.2.4 石墨烯纤维的石墨化度和表面化学组成 81
4.3 石墨烯纳米纤维对NO 室温下的催化氧化性能研究 84
4.3.1 同一温度下不同处理时间对NO 的催化氧化性能研究 86
4.3.2 同一活化时间下不同处理温度对NO 的催化氧化性能研究 88
4.4 rGO、石墨质纳米结构对NO 的催化氧化性能增强的机理分析 88
4.5 本章小结 90
第5章 石墨质纳米结构碳纤维的制备及对NO 的催化氧化性能研究 92
5.1 引言 92
5.2 实验设计与制备工艺 93
5.3 石墨质纳米纤维的表征 94
5.4 温度对多孔石墨质纳米纤维的影响规律 95
5.4.1 石墨质多孔纳米纤维的微观形貌与结构 95
5.4.2 石墨质多孔纳米纤维的比表面积和表面化学组成 99
5.5 催化剂（AAI）含量对多孔石墨质纳米纤维的影响规律 102
5.5.1 AAI对石墨质多孔纳米纤维的微观形貌与结构的影响 102
5.5.2 AAI石墨质多孔纳米纤维的比表面积和表面化学组成的影响 104
5.6 石墨质多孔碳纳米纤维在室温下对NO 的催化氧化性能 107
5.6.1 不同含量AAI 的纤维对NO 的催化氧化性能影响及机理探究 109
5.6.2 不同处理温度纤维对NO 的催化氧化性能影响及机理探究 110
5.7 氨气处理对NO 的催化氧化性能促进的机理分析 111
5.8 本章小结 113
第6章 环境催化部分结论 114
参考文献 116
第二部分 能量存储应用
第7章 锂离子电池及负极材料概述 131
7.1 引言 131
7.2 锂离子电池的工作原理 132
7.3 锂离子电池负极材料的储锂机理及发展概述 133
7.4 非碳基负极材料的储锂机理及其发展概述 142
7.5 Si 基负极材料 144
第8章 锂离子电池负极制备、分析与研究方法 158
8.1 锂离子电池负极材料特点 158
8.2 本章主要研究内容 159
8.3 实验设备与化学试剂 160
8.4 物理化学表征 161
8.5 电池的组装和测试 163
8.5.1 电池的组装 163
8.5.2 恒流充放电测试 163
8.5.3 循环伏安法 163
8.5.4 电化学阻抗测试 164
第9章 电纺丝制备聚酰亚胺基锂离子电池自支撑一维多孔碳负极材料 165
9.1 引言 165
9.2 实验过程 166
9.2.1 聚酰亚胺简介 166
9.2.2 实验过程 167
9.3 聚酰亚胺基多孔碳纳米纤维结构 169
9.3.1 聚酰亚胺基多孔碳纳米纤维宏观形貌 169
9.3.2 聚酰亚胺基多孔碳纳米纤维微观形貌表征 169
9.3.3 聚酰亚胺基多孔碳纳米纤维孔结构表征 171
9.4 聚酰亚胺基多孔碳纳米纤维电化学性能表征 172
9.5 本章小结 175
第10章 电纺制备锂离子电池自支撑一维掺氮多孔碳负极材料 176
10.1 引言 176
10.2 电纺制备锂离子电池自支撑一维掺氮多孔碳负极材料 177
10.2.1 实验过程 177
10.2.2 掺氮多孔碳纳米纤维的结构 178
10.2.3 掺氮多孔碳纳米纤维的电化学性能 182
10.3 氨气处理提高掺氮多孔碳纤维负极材料电化学性能 185
10.3.1 实验过程 185
10.3.2 氨气处理制备掺氮多孔碳纤维的结构 185
10.3.3 氨气处理制备掺氮多孔碳纤维的电化学性能 189
10.4 氮元素对提高锂离子电池负极材料电化学性能原因分析 193
10.5 本章小结 195
第11章 浸渍法制备具有一定预置空间的锂离子电池自支撑一维硅碳复合负极材料 196
11.1 引言 196
11.2 具有丰富预置空间的锂离子电池自支撑一维硅碳复合负极材料结构设计 197
11.3 实验过程和浸渍工艺参数的确定 198
11.3.1 实验过程 198
11.3.2 Si/PVA 电纺纳米纤维微观形貌 199
11.3.3 浸渍工艺参数的确定 199
11.3.4 碳化温度的确定 200
11.4 浸渍法制备的一维硅碳复合负极材料的结构 201
11.5 浸渍法制备的一维硅碳复合负极材料的电化学性能 205
11.6 浸渍溶液浓度对一维硅碳复合负极材料的电化学性能的影响 207
11.7 本章小结 209
第12章 能量存储部分结论 210
参考文献 211

电纺纳米纤维：赋能绿色未来 在追求可持续发展和应对全球环境挑战的时代浪潮中，新型材料的研发与应用扮演着至关重要的角色。电纺纳米纤维，作为一类兼具优异性能和广泛适用性的先进材料，正以前所未有的潜力，为环境催化和能源存储领域带来革新性的突破。 一、电纺纳米纤维：结构与特性的魅力 电纺丝技术，作为一种成熟且高效的纳米纤维制备方法，通过高压静电场的驱动，将聚合物溶液或熔体拉伸成直径在纳米量级的纤维。这些微细的纤维构筑起三维的多孔网络结构，赋予了电纺纳米纤维一系列独特的优势： 巨大的比表面积： 纳米纤维的极小尺寸使其拥有惊人的比表面积，远超微米级甚至块体材料。这为催化反应提供了更多的活性位点，也极大地增强了电极材料与电解质的接触面积，从而提升了能量存储器件的效率。 高度可调的孔隙率和结构： 通过精确控制电纺丝工艺参数（如溶液浓度、电压、流速、收集距离等），可以巧妙地调控纳米纤维的直径、取向、孔隙率以及整体的宏观形貌。这种高度的可定制性使得我们能够针对 specific 的应用需求，设计出最优化的纳米纤维结构。 优异的机械性能： 尽管尺寸微小，但电纺纳米纤维通常表现出良好的拉伸强度和柔韧性，这对于需要承受一定应力和形变的催化剂载体或柔性储能器件而言至关重要。 易于功能化和复合： 纳米纤维的表面易于进行化学修饰，引入各种官能团或负载其他活性物质，如金属纳米颗粒、金属氧化物、碳材料等。这种易于复合的特性，能够协同发挥不同材料的优势，实现性能的飞跃。 二、环境催化：净化与转化的绿色引擎 电纺纳米纤维在环境催化领域的应用，主要聚焦于污染物的降解、转化以及清洁能源的生产。其高比表面积和易于负载活性组分的特点，使其成为理想的催化剂载体或直接催化剂。 废水处理中的高级氧化/还原： 无论是工业废水中的有机污染物，还是生活污水中的顽固性杂质，都可以通过负载了活性催化剂（如TiO2、ZnO、金属纳米颗粒等）的电纺纳米纤维进行高效降解。例如，TiO2纳米纤维在紫外光照射下，能够产生具有强大氧化能力的自由基，将有机物分解为无害物质。而负载了Pd、Pt等贵金属纳米颗粒的纤维，则可用于催化还原硝酸盐、重金属离子等。 空气污染物的去除： 针对汽车尾气、工业废气中的氮氧化物（NOx）、挥发性有机化合物（VOCs）等，可以开发出选择性吸附或催化转化的电纺纳米纤维材料。例如，活性炭纤维具有优异的吸附性能，而负载了催化剂的纤维则能够将有害气体转化为对环境友好的物质。 生物质转化与清洁能源生产： 电纺纳米纤维也为生物质的高效转化提供了新的平台。通过负载合适的催化剂，能够促进生物质转化为生物燃料（如乙醇、生物柴油）或高附加值化学品。此外，在加氢、脱氢等反应中，高性能的电纺纳米纤维催化剂也为清洁能源的生产开辟了道路。 CO2捕获与利用： 随着全球对碳排放的关注，CO2的捕获与利用成为重要的研究方向。某些电纺纳米纤维，通过引入胺基等官能团，能够高效吸附CO2。而负载了催化剂的纤维，则可以将捕获的CO2转化为甲醇、甲烷等有价值的化学品，实现碳资源的循环利用。 三、能量存储：驱动绿色未来的动力源泉 电纺纳米纤维在能量存储领域的应用，主要体现在提升电池、超级电容器等储能器件的性能上。其独特的结构特性，能够显著改善电极材料的导电性、离子传输能力以及循环稳定性。 锂离子电池（LIBs）的电极材料： 正极材料： 将LiFePO4、LiMn2O4、NCM等活性正极材料制备成纳米纤维，可以有效缩短锂离子的扩散路径，提高倍率性能。同时，通过与导电碳纳米纤维复合，可以显著改善电极的导电网络，减少内阻。 负极材料： 硅、锡等高容量负极材料在充放电过程中体积变化巨大，容易导致电极粉化和性能衰减。而将这些材料负载或包覆在柔韧的碳纳米纤维上，能够有效缓解体积膨胀问题，提高循环寿命和倍率性能。 隔膜材料： 采用聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）等制备的电纺纳米纤维隔膜，具有极高的孔隙率和优异的力学性能，能够有效防止短路，同时促进锂离子的快速传输，提高电池的功率密度。 超级电容器（SCs）： 电极材料： 活性炭、石墨烯、碳纳米管等作为超级电容器的常见电极材料，通过电纺纳米纤维技术，可以将其构筑成高比表面积、高导电性的三维网络结构。这种结构能够最大化电解质与电极材料的接触面积，提高电容性能。此外，将赝电容材料（如金属氧化物、导电聚合物）与碳纳米纤维复合，可以同时发挥双电层电容和赝电容的优势，实现能量密度和功率密度的协同提升。 固态电解质： 固态电解质因其安全性和高能量密度潜力而备受关注。利用聚合物电解质与无机纳米填料（如纳米氧化物、纳米陶瓷）进行电纺，可以制备出兼具高离子电导率和良好力学性能的纳米纤维固态电解质，为下一代高性能固态电池奠定基础。 其他储能器件： 除了锂离子电池和超级电容器，电纺纳米纤维在钠离子电池、液流电池、燃料电池等方面也展现出巨大的应用潜力，可以作为集流体、催化剂载体、膜材料等，为提升这些器件的性能提供创新的解决方案。 四、展望未来：无限可能与挑战 电纺纳米纤维在环境催化和能量存储领域的应用，正处于蓬勃发展的阶段。随着研究的不断深入，我们可以预见以下发展趋势： 多功能集成： 将催化与储能功能集成到单一的电纺纳米纤维材料中，实现“边反应边存储”或“催化辅助储能”，将极大地提升材料的综合效益。 智能响应材料： 开发能够根据外界环境（如温度、pH、光照）变化而改变催化活性或储能性能的智能电纺纳米纤维，为实现按需调控和能量管理提供可能。 大规模绿色制备： 优化电纺丝工艺，实现电纺纳米纤维的大规模、低成本、环境友好的工业化生产，是其广泛应用的关键。 深入的机理研究： 结合先进的表征技术和理论计算，深入理解纳米纤维的结构-性能关系，为理性设计和优化材料提供指导。 当然，电纺纳米纤维的广泛应用也面临一些挑战，例如长期稳定性和耐久性、成本控制、规模化生产的工艺优化等。但凭借其独特的优势和研究人员的不懈努力，我们有理由相信，电纺纳米纤维必将在构建绿色、可持续的未来中扮演越来越重要的角色。

评分☆☆☆☆☆

从学术研究的角度来看，这本书的文献引用和数据支持也相当扎实。作者在文中引用了大量的近期研究成果，并且对实验数据的可靠性和分析方法进行了详细的说明。这表明作者在撰写过程中做了大量的调研工作，并且对相关领域的研究动态有着深刻的理解。对于科研人员来说，这本书不仅可以作为一本入门的参考书，更可以作为深入研究的起点，帮助他们快速掌握该领域的前沿进展，并为自己的研究提供灵感和方向。

评分☆☆☆☆☆

关于能量存储的部分，这本书同样展现出了非凡的洞见。作者详细阐述了电纺纳米纤维在构建高性能电极材料方面的独特作用。我了解到，通过精确控制纳米纤维的形貌、尺寸以及与其他活性材料的复合方式，可以显著提高电池和超级电容器的能量密度、功率密度和循环寿命。书中对锂离子电池、钠离子电池以及未来的固态电池等不同体系中纳米纤维的应用进行了深入的探讨，并且给出了许多具体的实验数据和理论模型作为支撑。我尤其对书中提到的一些新型纳米纤维复合材料的制备方法和性能表征方法感到新奇，这些方法听起来就非常前沿和实用，让我对能量存储技术的未来发展充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

从技术实现的难度和成本效益的角度来看，这本书也提供了一些非常宝贵的思考。作者并没有回避电纺纳米纤维在大规模生产中可能遇到的挑战，比如设备成本、生产效率以及产品的一致性等问题。但他们同时也积极地提出了解决方案，例如连续化生产工艺的改进、新型纺丝技术的研发以及与其他传统材料的巧妙结合，旨在降低生产成本，提高技术的可行性。这一点让我觉得这本书非常接地气，不是空谈理论，而是真正地关注技术的落地和推广，这对于任何想要将科研成果转化为实际应用的读者来说，都是极其重要的。

评分☆☆☆☆☆

一本让人眼前一亮的书，我迫不及待地翻开了它，虽然我不是这个领域的研究者，但书中的内容深深地吸引了我。作者以一种非常易于理解的方式，将电纺纳米纤维这一前沿技术，巧妙地融入到了我们日常生活息息相关的环境保护和能源利用两大主题中。从一开始，我就被书中那严谨却又充满想象力的描述所吸引。它不仅仅是简单地罗列技术细节，而是通过生动的案例和深入浅出的解释，让我看到了纳米纤维在解决实际问题上的巨大潜力。 我特别关注了书中关于环境催化的部分，感觉作者在这方面花费了大量的笔墨，并且做得非常出色。他们不仅仅是介绍了电纺纳米纤维作为催化剂载体的优势，比如巨大的比表面积和可调控的孔隙结构，更重要的是，通过大量的实验数据和理论分析，展示了这些纳米纤维是如何有效地吸附和降解各种污染物，例如工业废水中的有机染料、空气中的挥发性有机物（VOCs）等等。书中对纳米纤维表面功能化的讨论也十分深入，各种化学修饰如何增强其对特定污染物的选择性和催化活性，这一点让我印象深刻。我甚至能想象到，在不久的将来，这种技术可能会成为我们解决水污染和空气污染难题的一把利器。

评分☆☆☆☆☆

我尤其欣赏书中对于“绿色化学”理念的融入。作者在介绍电纺纳米纤维的制备和应用时，多次强调了其环保性和可持续性。例如，一些电纺溶剂的可回收性，以及纳米纤维在环境修复过程中对环境的二次污染控制等问题都得到了充分的讨论。这让我感受到，科技的发展不应该以牺牲环境为代价，而是应该以一种更加和谐、可持续的方式进行，这本书的理念与我个人的价值观不谋而合。

评分☆☆☆☆☆

读完关于环境催化和能量存储的应用部分，我忍不住开始思考其在其他领域的潜在应用。书中虽然聚焦于这两个方面，但其所阐述的电纺纳米纤维的基本原理和制备技术，完全可以推广到生物医药、传感器、过滤膜等更广泛的领域。作者在最后的章节中也对未来发展方向进行了一些展望，虽然没有深入展开，但已经足以激发我的无限想象。这本书就像一把钥匙，为我打开了一扇通往新材料世界的大门，让我看到了未来科技发展的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和设计也十分用心。纸张质量上乘，印刷清晰，图片色彩鲜艳。整体风格简洁大气，章节划分清晰，目录和索引也十分完善，方便读者快速查找所需信息。对于一本技术性较强的书籍来说，这种精良的制作能够极大地提升阅读体验，让读者在享受知识的同时，也能感受到出版方的专业和用心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事方式也值得称赞。作者并没有用枯燥的学术语言来堆砌，而是善于运用类比和图示，将复杂的科学概念形象化。例如，在解释纳米纤维巨大的比表面积时，作者会将其比作“微型宇宙飞船”上的“超级太阳帆”，这种生动的比喻让读者能够直观地理解其优势。同时，书中穿插的大量高质量的显微照片和示意图，更是为理解材料结构和工作原理提供了极大的帮助，让我在阅读过程中始终保持高度的兴趣和专注。

评分☆☆☆☆☆

我注意到书中非常强调材料的可设计性和功能可调控性。作者通过大量的例子说明，通过改变电纺工艺参数，例如溶液浓度、电压、流速以及收集方式，可以精确地控制纳米纤维的直径、形貌（如管状、多孔状、核壳结构等）以及堆积方式（如随机缠绕、定向排列等）。这种精细的控制能力，为实现特定应用场景下的最优性能提供了可能。我甚至能够想象到，未来我们可以根据不同的环境问题和能源需求，“定制”出最适合的纳米纤维材料，这就像量体裁衣一样，充满了科学的魅力。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，这是一本非常值得推荐的书籍，无论是对于在校的学生、科研工作者，还是对环境保护和能源科技感兴趣的普通读者，都能从中获益匪浅。它不仅提供了前沿的科学知识，更重要的是，它激发了读者对未来科技的想象力，以及对解决现实世界问题的思考。我强烈建议大家将其纳入自己的阅读清单，相信我，你不会失望的。