质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点, 有望减少二氧化碳排放量, 缓解能源危机, 在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好, 是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵, 导致PEMFC成本较高, 使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量, 提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性, 是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低, 抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性, 需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体, 进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质, 可以提高PEMFC性能和寿命, 引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述, 并对其发展趋势作出了适当评论。

在惯性约束聚变(ICF)实验中, 点火靶丸表面(界面)的粗糙度和缺陷所产生的流体力学不稳定性是决定点火成功与否的关键因素之一, 设计和研制流体力学不稳定性分解实验用靶是解决该问题的主要技术手段。结合国内外的研究现状和神光-Ⅱ激光装置的特点, 设计并研制了一种新型柱状激波管。该靶型由三种介质组成, 分别为调制聚苯乙烯(CH)圆片、柱状碳气凝胶(CRF)和CH微套管。调制CH圆片和柱状CRF通过微加工技术装配到CH微套管内, 封装后形成柱状激波管。介绍了该靶型的设计原理和详细的制备工艺, 并对相应的靶参数进行了测量。结果表明: 柱状CRF气凝胶具有较好的成型性, 长度、直径和密度分别为1000 μm、730 μm和250 mg·cm-3; CH圆片的厚度和直径分别为15 μm和730 μm, 表面调制图形的周期和峰谷差分别为100 μm和4.3 μm; 实验得到的柱状激波管的轴向和径向最大装配误差分别为2 μm和3 μm。

为了研究惯性约束聚变(ICF)实验用靶丸不同密度界面的流体力学不稳定性增长，设计并制备了聚苯乙烯(CH)/碳气凝胶(CRF),CRF /硅气凝胶(SiO2)和CH/Al三种双介质调制靶。采用溶胶-凝胶工艺制备了密度分别为250和800 mg/cm3的CRF气凝胶薄片；采用激光微加工工艺分别在两种不同密度的CRF薄片和工业用纯Al箔上引入调制图形；采用旋涂工艺在Al箔和CRF薄片(250 mg/cm3)的调制表面制备一层CH薄膜，得到CH/Al和CH/CRF双介质调制靶，采用溶胶-凝胶工艺在CRF薄片(800 mg/cm3)表面制备一层低密度SiO2气凝胶，得到CRF/SiO2双介质调制靶。采用电子天平、扫描电子显微镜、工具显微镜和台阶仪对所制备的CH/CRF,CRF/SiO2和CH/Al三种双介质调制靶进行靶参数测量。结果表明: 三种双介质调制靶层与层之间结合紧密，界面清晰，调制图形为正弦，靶参数测量准确。

采用“纳米装填”技术和“熔化渗透”工艺成功制备了氢容量在硼氢化锂质量分数80%以上的硼氢化锂/碳气凝胶复合材料。并用扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外透射光谱等手段表征了复合材料的结构与性能。发现硼氢化锂填充了碳气凝胶骨架孔隙的90%以上，形成均匀的复合材料。研究了复合材料的形成机制，发现硼氢化锂先进入碳气凝胶骨架的小孔，再逐渐填充大孔。这有利于材料晶粒的细化，提高吸放氢性能，减少结构缺陷。经放氢动力学测试表明，LiBH4/CRF复合材料的放氢速率是文献中LiBH4与活性炭的球磨样品的5倍。

利用辐射还原法, 在100, 200, 500 kGy辐射剂量下制备了金属Pd掺杂的碳气凝胶粉末。X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)和能谱测试证实了辐射法成功地制备出Pd掺杂的碳气凝胶粉末复合物。SEM照片表明, 还原生成的金属Pd相对均匀地分布在所有碳气凝胶颗粒表面。N2吸附数据分析表明:掺入金属Pd后, 碳气凝胶粉末比表面积、平均孔径和总孔体积都显著减小。由于被还原金属大多沉积在碳气凝胶粉末表面, 不同辐射剂量下制得的掺杂碳气凝胶粉末的比表面积等多孔特征数据相差不大。

以间苯二酚(R)-甲醛(F)为原料,加入表面活性剂P123以增强材料的骨架强度的方法，采用常压干燥技术制备了RF碳气凝胶，并进行了二氧化碳活化以调节其孔结构。扫描电子显微镜(SEM)测试表明,常压干燥的碳气凝胶结构中具有更大的纳米颗粒，骨架结构变粗，活化使碳气凝胶骨架结构更加致密；红外吸收光谱(FTIR)表明,表面活性剂P123中的醚键与RF苯环中的羟基存在强的相互作用，碳化后P123特征峰消失；热重曲线(TG和DTG)分析说明P123在440 ℃左右分解完全，不会对碳气凝胶的成分产生影响，并能起到良好的造孔作用；氮气吸附表明常压干燥制备的碳气凝胶比表面积约为570 m2/g，活化之后的比表面积高达3 500 m2/g左右。

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为前驱体制备出RF碳气凝胶，并利用CO2气体对其进行活化，通过热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、氢吸附等表征手段研究了活化过程中温度对碳气凝胶微结构及氢吸附性能的影响。结果表明：CO2活化可使碳气凝胶比表面积大幅提高，且不会影响其微孔网络结构。随着活化温度的升高，碳气凝胶非晶性变得更加明显，失重率显著增加，微孔体积、比表面积及氢吸附量先增后减，有望通过改变CO2活化温度增加碳气凝胶微孔数量来提高其氢吸附性能。

介绍了碳气凝胶/聚苯乙烯（CRF/CH）双介质柱状靶的制备方法。使用溶胶-凝胶法和微模具原位成型法制备了直径为820 μm的间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶微柱，在氮气保护下进行高温碳化后得到直径为730 μm、密度为250 mg·cm-3的CRF微柱；采用浸渍提拉法在CRF微柱柱面镀制一层厚度为26 μm 的CH薄膜， 形成CRF/CH双介质结构；采用机械微切割技术制备了长度为1 mm， 内径为730 μm，壁厚为26 μm的CRF/CH双介质柱状靶。实验研究了RF,CRF气凝胶微柱的制备工艺、微观形貌及CRF微柱轴向和径向的密度均匀性，探讨了影响CH薄膜厚度的主要因素，并对CH薄膜的表面形貌和两种材料之间的界面进行了表征。