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《大连理工大学》 2014年
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基于酚醛胺体系多孔炭材料的可控制备

王帅  
【摘要】:多孔炭材料由于具有高比表面积、发达孔隙、良好化学和热稳定性等优异性能,在催化、电化学、吸附和生命医药等领域具有广阔的应用前景。目前多孔炭材料制备的核心是结构控制和高效制备,难点集中在纳米尺度下结构以及表面化学的精准调控,如何根据实际应用的需要,去设计构筑所需要的结构仍然具有很大的挑战。 本课题组开展了酚醛胺参与的新型苯并嗯嗪聚合体系合成多孔炭材料的研究。苯并嗯嗪的分子结构灵活、可设计性强,并且可以原位引入含氮官能团。本论文基于酚醛胺体系,开展以下新型多孔炭材料合成的研究工作: 1.以间苯二酚(R)、甲醛、1,6-己二胺(DAH)为炭前驱体,设计合成一种尺寸高度均一、热稳定性能优异的聚苯并嗯嗪基纳米聚合物球,经炭化可得尺寸小于200nm、体积收缩率低、尺寸均一的纳米炭球。建立了球体尺寸与初始反应温度之间的二次函数关系模型,可以通过精确控制初始反应温度得到对应尺寸的纳米聚合物球(250-105nnm)和纳米炭球(225-95nm)。炭球的孔道结构及表面化学性质可以通过炭化条件进行调变。以所合成炭球为吸附模型用于低温二氧化碳(C02)吸附,-50℃常压吸附量可高达11.03mmol g-1,具有分离低温液化天然气过程中低浓度CO2的应用潜力,在C02吸附过程中孔道结构尤其是微孔结构是决定C02常压吸附值的重要因素,含氮官能团的存在有助于材料低压C02吸附值的提高,这为较低浓度CO2吸附材料的设计提供了参考依据。 2.将商业Si02溶胶引入酚醛胺体系,利用双胺DAH分子诱导氧化硅溶胶在溶液中自组装,并引发苯并嗯嗪在自组装体表面聚合,经炭化和模板去除得到大孔容珊瑚状中孔炭。材料的珊瑚状连续骨架由囊泡状基本单元构成,囊泡的一侧具有开口,基本单元之间有一定的连续性和连通性。建立了材料孔容与SiO2:R之间的线性关系模型,实现了对材料孔容的可控调变,其孔容值最高可达4.18cm3g-1,是担载高负载量的锂电活性物质的良好载体。以其担载氧化锡应用于锂离子电池,充放电50次后电池可逆容量仍可达9001nAhg-1,展现出优异的电容值及循环稳定性。 3.将氧化石墨烯GO和氧化硅Si02溶胶同时引入酚醛胺体系,利用双胺DAH诱导Si02和GO组装,并引发苯并噁嗪在GO/SiO2复合物表面聚合,再经炭化除硅得到独特的中孔片状结构多孔炭。炭片表面均匀分布的球形中孔可用来高度分散活性物质,有效地防止颗粒在长循环和高倍率下发生团聚;连续的片状骨架及其内嵌的石墨烯结构可以增加电极材料的电导率;片状结构以及片上垂直平面的孔道可以缩短离子传输距离。将合成的材料担载LiFePO4电极材料,所得LiFePO4/C电极材料具有高的可逆容量,0.1C下可达166mAhg-1,高倍率20C下容量可达116mA h g-1,循环2000次容量保持率为93%,显示出优异的循环稳定性。说明该片状多孔炭改善了电化学用多孔炭的导电性和扩散动力学,可以作为良好的锂离子电池活性物质载体。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TQ127.11

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