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多孔碳材料的设计制备与吸附性能

马晓玉  
【摘要】:自工业革命以来,大气中CO2的浓度增长了近35%,达到了390ppm。大气中CO2的浓度的迅速增加,是目前温室效应加剧的一个重要的因素。为了减缓温室效应,降低大气中CO2的浓度迫在眉睫。大量的CO2释放源,如化石燃料为基础的发电厂,是降低CO2浓度的首要目标。近年来,多孔碳材料因为具有很高的比表面积,大的孔体积,高的吸附量,高的化学稳定性,价格便宜,以及便于修饰的特性被称赞为第二代吸附材料。然而,单纯的活性炭对CO2的吸附量不是特别高,并且选择性也很低,主要是因为CO2气体分子和活性炭是物理吸附,分子间作用力弱所导致的。为了加强CO2分子和吸附剂表面的作用力,在碳骨架中掺入碱性位点如电子供体N原子,提高表面的极性是非常有效的。到目前为止在碳骨架中掺入氮碱性位的方法有很多:一种是高温条件下,在氨气的气氛中掺氮;另一种方法是在碳的前躯体中加入含氮的化合物。后一种方法比前一种方法有很明显的优势,主要是方法简单,而且能获得较高的氮含量。 在本论文中,我们通过简单一步法合成氮掺杂的碳材料进行CO2的捕捉和分离性能的研究,并且都展现出较高的CO2吸附容量和优异的选择性分离性能。 1.利用生物基材料海藻酸(AA)作为碳源,在180oC溶剂热的条件下,加入膨胀剂戊二醛和吡咯,乙二胺作为氮源,合成了氮掺杂的碳前躯体,然后经过冷冻干燥和在混合气体Ar和CO2(体积比是3:1)的氛围中,不同温度下物理活化,得到了一系列的氮掺杂的多孔碳材料。这一系列材料表现了优异的CO2吸附性质,其中样品AA-950,在298K和20bar条件下,吸附量高达16.20mmol g-1。 2.新型H3PO4-HNO3混合酸作为活化剂,生物质材料海藻酸钠作为碳源合成了一系列氮掺杂的多孔碳材料。这些材料孔径分布非常集中,并且含有大量的吡咯型氮物种。尤其是样品SA-2N-P,它的比表面积约为1740m2g-1。在压力为1atm时,在不同温度273K和298K,CO2的吸附量分别是8.99mmol g-1和4.57mmol g-1。此外,在CO2吸附的初始阶段,CO2的吸附热是43kJ mol-1,在吸附饱和的阶段,CO2的吸附热仍然是是32kJ mol-1。在25°C时,CO2浓度很低的情况下(0.15atm),CO2的吸附容量达到66.44mg (CO2)/g(吸附剂),这个条件是非常适和烟道气中CO2的捕获和分离。通过理性溶液吸附理论(IAST)得出在混合气体(v (N2):v (CO2))=85:15中的选择性曲线。 3.在酸性条件下,我们通过简单的溶剂挥发自组装的方法(EIAS)成功合成了间苯二酚甲醛树脂。在惰性气体N2中进行进一步煅烧,得到了一系列氮掺杂的多孔碳材料。在合成的过程中,HNO3既作为形成聚合物的催化剂,又是一种氮源。合成的氮掺杂的多孔碳材料具有很高的比表面积和含氮量最高达6.73wt%。样品CN-950的比表面积是1979m2g-1,在1atm和298K的条件下,吸附量高达4.3mmol g-1。更重要的是,样品CN-950同时也表现出了很好的CO2/N2的选择性。 4.使用溶剂挥发自组装的方法,以乙酰丙酮镁作为镁源,合成了一系列碱性很强的MgO/C的纳米复合材料。结晶度很高的立方晶系的MgO纳米粒子均匀的分布在多孔碳的表面。这些复合材料具有较高的比表面积(最大值约1138m2g-1)和孔体积(最大值约是0.616cm-3g-1)。我们对MgO/C纳米复合材料进行了甲醇的内部蒸汽吸附测试,最大的吸附量是11.90mmol g-1。甲醇的吸附等温线展现出完全亲油的特性。样品C-MgO-15.4%能够将甲醇和水成功的分离开来,说明这些材料是一种优秀的吸附和分离的材料。


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