大学生创新创业训练计划项目中期检查报告

编号：
哈尔滨工业大学
大学生创新创业训练计划项目中期检查报告
项目名称：MWCNT/Fe3O4多孔材海绵结构的制备
项目级别：国家级（国家级、校级）
执行时间：2013年5月至2015年5月
负责人：梁彩云学号：
联系电话：电子邮箱：
院系及专业：化工学院化学工艺
指导教师：徐用军职称：教授
联系电话：电子邮箱：
哈尔滨工业大学本科生院
填表日期： 2013 年 11月 15 日
一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）
二、指导教师意见：
三、专家组意见：
四、项目研究中期报告
1、项目简介（300-500字左右）
本项目主要研究多壁碳纳米管(MWCNT)/Fe3O4多孔海绵结构材料的制备及孔径大小的调控途径，实现不同形貌的MWCNT/Fe3O4多孔海绵可控制备。

具有选择透过性的多孔材料将成为化学工业新一代分离系统的首选材料, 还可用作能源工业中的热气体过滤器, 多种环境净化技术中的分离介质和隐身技术中的电磁波吸波材料。

此外，多孔材料还是优良的电极材料、高效优良的隔热材料。

但是目前比较广泛采用的碳体系制备的多孔材料组分比较单一，导致很多多孔材料功能单一。

基于上述情况，本课题以附载有四氧化三铁的碳纳米管多功能复合材料为前驱体，通过溶胶凝胶的方法使其凝胶化，再用PVA交联以增强其骨架结构，在超临界条件下干燥得到可反复压缩的MWCNT/ Fe3O4多孔海绵状材料，并对其孔径可调的性能进行测试评估。

2、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，400字左右）
多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料, 特别是孔径在纳米量级的多孔材料, 孔径的可调性拓宽了多孔材料的应用范围具有许多独特的性质和较强的应用。

目前初步确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用: 1. 高效气体分离膜；2 化学过程的催化膜; 3. 高速电子系统的衬底材料; 4光学通讯材料的先驱体；5.高效隔热材料; 6. 燃料电池的多孔电极; 7.吸波隐身材料; 8. 燃料( 包括天然气和氢气) 的存储介质; 9. 环境净化的选择吸收剂; 10.可重复使用的特殊( HEPA-型) 过滤装置。

目前多孔材料体系主要有：碳体系、氧化铝体系、二氧化硅体系，其中碳体系是应用比较广泛的。

多孔碳材料的石墨化程度，也就是导电性，对其电化学性能具有非常大的影响，将多孔碳进行高温处理，可以有效地提高其电化学性能。

多孔碳材料作为催化剂载体时，其大的孔径为许多尺寸较大分子的催化反应提供了优良的反应场所; 其尺寸均一的纳米孔道在一些大分子的催化反应中显示了明显的空间限制效应; 其优秀的化学和物理稳定性，使其比氧化硅、氧化铝具有更广泛的应用范围。

但是常用的碳体系结构比较单一，制备出来的功能比较单一。

因此为了发展功能齐全，性能更加优良的多孔材料，我们采用MWCNT/Fe3O4为基元制备多孔材料。

多功能复合材料由于表面负载有Fe3O4因此除了具有碳的电学性能外，还具有磁学性能即超顺磁
性。

是良好的催化剂载体。

3、项目方案
干燥
3.1 MWCNT/Fe3O4单体制备
将一定比例的多壁碳纳米管（MWCNT）和乙酰丙酮铁（Fe(acac)3）（质量比1:4）及25mL 三甘醇（TREG）加入250mL的三口圆底烧瓶中，超声波分散20min 后，装入如图3.1-1所示回流装置，预先通入氮气（N2）5min，将装备内的空气置换干净。

开通加热器电源，将装置以3℃的速度缓慢升温至沸腾，停止通氮气，保持回流30min。

移走加热器，将装置自然冷却至室温。

图3.1-1 回流装置示意图
MWCNT/Fe3O4 纳米复合材料的分离与纯化：首先向冷却后的反应溶液中加入30mL 无水乙醇（C2H5OH）进行稀释，然后将一超顺磁铁置于烧瓶底部4h，使MWCNT/Fe3O4 聚集吸附于在容器的底部，吸管吸掉上清液。

然后加入30mL 乙酸乙酯进行清洗，超顺磁铁放于烧杯侧面进行磁性分离。

最后再用30mL 无水乙醇清洗，然后磁分离，将产物中残留的试剂和反应副产物彻底洗净。

将产物在40℃下真空干燥，得到黑色固态粉末。

实验流程图见图3.1-2。

图3.1-2 实验流程图
3.2 凝胶的制备
方案一:表面活性剂法
表面活性剂能使水形成粘性液体，通常当浓度大于临界胶束时，形成球状胶束，当浓度更高时，形成棒状胶束。

本实验中采用NaDBS 作为表面活性剂。

流程图见图3.2-1
图3.2-1 表面活性剂法制凝胶流程图
方案二:用琼脂糖制备凝胶
琼脂糖是由1,3连接的β-D-毗喃半乳糖和1,4连接的3,6-脱水α-L-毗喃半乳糖 残基交替连接形成线性多糖，在加热时可以形成均匀的溶液,为单独的多糖大分子链， 当温度降低时先形成双螺旋,然后聚集成胶束，在形成凝胶的过程中,两条单独的多糖链 在氢键的作用下先形成平行的双螺旋结构,这些双螺旋通过氢键和疏水作用聚集形成具 有有序结构的胶束,胶束之间形成五角形的孔,孔的大小与胶束浓度即琼脂糖浓度成反 比。

水浴加热100o
C
20min ，冷却静置
图3.2-2 用琼脂糖制备凝胶流程图
方案三：水热法制备凝胶
水热法中水作为溶解和介质提供高温高压的环境，并提供H +
和OH _
,葡萄糖作为模板在高温高压的环境中脱水聚合形成碳基质包裹在单体材料中，并在接触点将单体稳固连接，形成凝胶。

3.3 多孔材料的制备
试验的最后一步即干燥得到多孔材料，干燥阶段中，凝胶孔隙中溶剂被除去，空内将形成液-气接口，若采用普通方法干燥，表面张力的变化会使得凝胶孔结构收缩坍塌，故我们将采用超临界干燥方法来保证制备得到的多孔材料的孔不受到破坏。

但由于实验条件所限，将形成的凝胶进行冷冻干燥得到多孔材料。

4、项目实施的进展情况及初步取得的成果
经过认真探索目前已经成功将MWCNT/Fe3O4制备出来. Array
a.MWCNT/Fe3O4 纳米复合材料制备原理图
b.MWCNT/Fe3O4纳米复合材料XRD谱图
c.MWCNT/Fe3O4纳米复合材料TEM图像
d.300K下MWCNT/Fe3O4纳米复合材料的磁化强度曲线
在第二步制备凝胶的过程中采用方案一表面活性剂法制备凝胶的过程中出现了单体聚沉的现象，所以此方案让在改进完善中。

方案二用琼脂制备凝胶已初步成功的将多孔材料制备出来，该多孔材料具有质量轻，磁性比表面积大，吸水性大，不溶于有机溶剂等特点。

方案三用水热法制备凝胶出现了Fe3O4被葡萄糖还原的问题，目前仍在探索改进中。

5、特色与创新
克服传统多孔材料骨架结构单一性，采用MWCNT/Fe
3O
4
多功能复合材料作为骨架材
料。

多功能复合材料由于表面负载有Fe
3O
4
因此除了具有碳的电学性能外，还具有磁学性
能即超顺磁性。

每个Fe
3O
4
纳米粒子都相当于一个磁畴，在无外加磁场的时候，整体磁化
强度为零，在外磁场的作用下，粒子的磁化强度都指向磁场方向，当外加磁场去掉后，
超顺次体的磁化强度有恢复为零，没有磁滞、剩磁的现象。

另外纳米量级的Fe
3O
4
与碳纳
米管之间有电子的传递，因此是比碳更良好的催化剂载体。

制备多孔材料的方法简便，得到的的多孔材料很轻，有很好的磁性。

6、项目实施过程中的收获与体会
项目进行的前期，我们查阅了大量的文献，对实验有了初步的了解，在这个过程中我们深刻认识到了文献的重要作用——只有站在前人的肩膀上，我们才能走的更远！在项目的进展阶段，我们发现此时没有了纸上谈兵的清闲，只有一大堆新出现的问题，比如如何避免絮状物和大颗粒沉淀生成、凝胶剂的选择以及测试结果的分析等，面对这些难题，我们感觉到了压力，这时小组成员以及指导老师的例会的作用体现了出来，大家在一起商讨，集结大家的智慧去解决一个又一个难题。

在这个过程中，大家齐心协力、集思广益，集中全队的力量去克服难题，让我看到了团队的力量。

总之，在科技创新实验的进展过程中，大家都学到了很多书本上得不到的东西，相信这些无论是对于我们以后的学习还是生活，甚至是工作都有重要的意义。

7、经费使用情况。