收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

新型多孔碳材料的合成与应用研究

刘振宇  
【摘要】:多孔碳材料因具有高比表面积、高孔隙率、良好的导电性和导热性、可调控的孔径和表面性能,在催化剂载体、超级电容器、催化剂、吸附剂和气体储存等领域有广泛应用。多孔碳材料的合成方法主要有硬模板法、软模板法和活化法等,然而,这些方法往往存在成本高、合成工艺复杂或纯度偏低的问题,阻碍了多孔碳材料的更广泛应用。因此,本论文旨在发展一种无模板的方法,通过分子层次上的设计和选择,宏量合成多孔碳,统筹解决生产成本和产物纯度问题。同时围绕多孔碳材料的氮掺杂改性、贵金属催化剂负载、过渡金属掺杂修饰等方面进行了比较系统的研究,针对性地研究了多孔碳材料在催化剂载体、超级电容器电极材料、氧气还原反应催化剂等方面的应用。 论文的第二章以小分子葡萄糖为碳源、乙二胺为氮源,通过简单的一锅水热法制备了氮掺杂介孔碳材料。乙二胺的加入改变了葡萄糖水热生成碳微球的传统模式,而生成了框架结构的介孔碳材料。相比于常规的碳微球,介孔碳材料具有更大的比表面积和孔体积。通过考察反应物比例、浓度以及反应时间对产物形貌他产率的影响,提出了这种多孔碳材料的生长机理。由于表面氮元素的存在,介孔碳材料能使贵金属颗粒在其表面更均匀分散。结合介孔有利于反应物的扩散,以氮掺杂介孔碳为载体的催化剂表现出了良好的催化活性。在这个反应中,选择乙二胺非常重要。同样条件下,己二胺、三聚氰胺、甲酰胺等都不能使葡萄糖碳化成介孔结构。 第三章将葡萄糖的碳化过程与TiCl_4水解反应偶合,一步制备了碳包覆的TiO_2纳米棒自组装微球。葡萄糖的碳化能促进TiCl_4水解,从而提高TiO_2产率。碳包覆还能使TiO_2在退火时能保持原形貌尺寸,从而提供更大的与电解液的接触面积,有利于在锂离子电池负极材料的应用。实验表明水热温度对TiO_2纳米棒尺寸有重要影响。TiO_2纳米棒在1–3V的电压窗口内循环40次后仍保持198mAh·g~(-1)的容量。另外,还将葡萄糖碳化过程与氧化石墨的还原过程偶合,通过加入乙二胺使葡萄糖的碳化在氧化石墨表面进行,从而得到碳包覆的氧化石墨。 第四章采用一步热解法合成了氮掺杂多孔碳材料。以EDTA为碳源和氮源,KOH为活化物质,将两者直接研磨混合,然后在高温下煅烧,碳化和活化在一步内完成,制备了比表面积高达2014m~2·g~(-1)的氮掺杂多孔碳材料。这种碳材料作为超级电容器电极材料,质量比电容高达260F·g~(-1),并具有非常好的循环稳定性。研究表明KOH和EDTA的比例、反应温度对材料容量有重要的影响。 通过向这个体系中加入三聚氰胺可提高多孔碳的氮含量。加入三聚氰胺后,材料的氮含量高达12.6%,产量提高400%,且仍具有高比表面积(1678m~2·g~(-1)),作为超级电容器材料在10A·g~(-1)的放电电流密度下质量比电容达160F·g~(-1)。除此之外,这种材料可以作为无金属催化剂催化氧气还原反应,电子转移数为3.23。这种高比表面积、高氮含量的多孔碳材料在其它技术领域,如CO_2吸附、锂离子电池等,也有广阔的应用前景。 在EDTA、KOH、三聚氰胺体系中加入Co(NO_3)_2·6H_2O可以得到钴修饰的氮掺杂碳材料,同样有高比表面积(1485m~2·g~(-1))、高氮含量(10.8%),结合适度的石墨化程度与钴成分,该材料对氧气还原反应表现出了优异的催化活性与四电子选择性。起始电压为0.89V(相比于可逆氢电极),与商业Pt/C催化剂相近。半波电势0.80V,与Pt/C催化剂相同。这种催化剂并具有更好的抗甲醇干扰性和循环稳定性。继续加入导电碳黑(科琴黑或乙炔黑)可以充分提高催化剂的产量并降低成本,更有利于催化剂的规模化生产。结合非常简易的合成工艺和原料成本,这种材料可以作为Pt/C催化剂的替代品在燃料电池、锂空气电池、氯碱工业等ORR相关工业中使用。另外还考察了不同的碳源、氮源和过渡金属盐作为原料合成催化剂的ORR活性。数据表明只有EDTA或EDTA-2K作为碳源、三聚氰胺为氮源、Co(NO_3)_2·6H_2O作为过渡金属盐才能获得最好的ORR催化活性。 纵观全文,采用不同的有机分子作为前驱物,针对性地设计反应路线,实现了新型氮掺杂碳纳米材料组成、结构的调控,进而实现了其超级电容器、电催化等性能的提高。在此基础上,通过与水解反应偶合,实现了碳纳米复合结构的可控合成,通过协同效应,实现了储锂性能的提高。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王艳香,谭寿洪,江东亮;液相聚合相分离技术制备孔径可控的多孔碳的研究[J];无机材料学报;2004年01期
2 张海军;张校刚;原长洲;高博;孙康;傅清宾;卢向军;蒋剑春;;水溶性壳聚糖制备多孔碳/氧化镍复合材料及其电化学电容行为[J];物理化学学报;2011年02期
3 王家德,孙玉琦,马建锋,陈建孟;多孔碳表面自养硝化生物膜的培养及其性能研究[J];环境污染治理技术与设备;2005年06期
4 毛元福,苏丽,徐昭巍,张廷祯;大孔径多孔碳的初步研究[J];炭素;1993年02期
5 ;多孔碳制品试制总结[J];炭素;1976年02期
6 庞旭;马正青;左列;曾苏民;;超级电容器金属氧化物电极材料研究进展[J];表面技术;2009年03期
7 谭斌;多孔碳水化合物食品配料在风味物质微胶囊化中的应用[J];中国食品添加剂;2005年02期
8 张家涛;沈鑫远;樊刚;魏昶;马会宇;;热压法制备气体扩散阳极[J];化工新型材料;2009年04期
9 李荣斌;尚海龙;杜浩明;林芸;;碳基片上沉积的金刚石涂层多孔电极的特性(英文)[J];中山大学学报(自然科学版);2007年S1期
10 李劲;何姣莲;时进刚;陈振华;曾光明;;鼠李糖脂碳吸附剂的制备及其吸附性能的研究[J];无机材料学报;2006年06期
11 赖超;李国春;叶世海;高学平;;高容量硫/碳复合正极材料[J];化学进展;2011年Z1期
12 ;国外新技术[J];耐火材料;1996年05期
13 ;多孔碳柱撑蒙脱石的制备[J];中国非金属矿工业导刊;2009年02期
14 马仁志,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海;应用于超级电容器的碳纳米管电极的几个特点[J];清华大学学报(自然科学版);2000年08期
15 贺福,杨永岗;酚醛基活性碳纤维[J];高科技纤维与应用;2003年05期
16 方勤;杨邦朝;;超级电容器用中孔炭的研究[J];功能材料;2005年12期
17 吕进玉;林志东;;超级电容器导电聚合物电极材料的研究进展[J];材料导报;2007年03期
18 陈列春;张海燕;贺春华;谢慰;;碳纳米管超级电容器的研究进展[J];材料研究与应用;2008年03期
19 白林绪;王聪;崔维;;超级电容器在煤矿井下本安电源中的应用[J];煤炭科学技术;2009年04期
20 王伟;金志浩;关堂新;;硅气相浸渍反应制备SiC/C复合材料的研究[J];材料导报;2010年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张银玲;霍启升;刘云凌;;具有高比电容的多孔碳材料的合成[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
2 李艳强;贲腾;裘式纶;;碳化多孔芳香骨架用于吸收二氧化碳[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年
3 魏玮;黄小彬;唐小真;;一种无定形水合二氧化锰/微多孔碳球复合物作为超级电容器电极材料[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
4 李启汉;黎海超;陈水挟;;一种高比表面酚醛基多孔碳材料的制备[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
5 王艳香;谭寿洪;江东亮;迟伟光;;有机物裂解制备反应烧结碳化硅的研究[A];2002年材料科学与工程新进展(下)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
6 王宇;雷军鹏;朱用;敬春梅;胡敏艺;闫忠强;;基片预处理及电沉积电流密度对超级电容器用二氧化锰薄膜性能影响[A];低碳经济条件下重有色金属冶金技术发展研讨会——暨重冶学委会第六届委员会成立大会论文集[C];2010年
7 姜训勇;张磊;孙立伟;刘庆锁;陆翠敏;;低内阻碳纳米管超级电容器研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第5分册)[C];2010年
8 代红蕾;田艳红;;循环伏安法合成聚苯胺膜用于超级电容器电极的研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
9 王贵欣;冯永成;周固民;瞿美臻;张伯兰;于作龙;;碳纳米管在超级电容器中的应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
10 孙玥;彭乔;刘不厌;;超级电容器MnO_2微米球的制备及其电化学性质[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘振宇;新型多孔碳材料的合成与应用研究[D];北京化工大学;2013年
2 王安苗;多孔碳材料的制备及在储氢、储电和催化中的应用[D];华东理工大学;2011年
3 张金磊;沸石分子筛膜与多孔碳材料的合成及表征[D];吉林大学;2013年
4 张锋;碳基及锡基锂离子电池负极材料的制备及性能研究[D];吉林大学;2009年
5 孟繁慧;基于新型纳米结构超级电容器材料的研究[D];山东大学;2013年
6 郎俊伟;用于超级电容器的金属氧化物及其复合电极材料的制备与性能研究[D];兰州理工大学;2010年
7 唐佩福;多孔碳酸化羟基磷灰石骨水泥的实验研究[D];中国人民解放军军医进修学院;2002年
8 李华春;硬模板法合成具有分子筛墙壁的介孔材料[D];上海交通大学;2007年
9 赵建智;硼氢化物催化制氢及相关储能材料研究[D];南开大学;2010年
10 徐万里;湿蒸汽条件下的冲蚀机理研究[D];清华大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王文娟;新型多孔碳材料的制备及其电化学性能研究[D];华东师范大学;2010年
2 夏玉明;分级多孔碳及其复合物结构调控与电化学性能[D];华东理工大学;2012年
3 谭永涛;互通多孔碳/聚苯胺复合电极材料的制备及其电化学性能[D];兰州理工大学;2012年
4 胡传奇;多孔碳坯的室温冷凝浇注成型工艺及反应烧结体性能研究[D];中国建筑材料科学研究总院;2011年
5 邓莉;分级多孔碳和碱式硝酸镍的超级电容性能研究[D];兰州理工大学;2012年
6 陈旋;基于镍(氢)氧化物和碳材料的电化学电极材料的性能研究[D];新疆大学;2011年
7 郑丽萍;碳化钙骨架碳的制备及其修饰在超级电容器中的应用[D];湘潭大学;2010年
8 刘凤丹;超级电容器电极制备工艺与纳米门炭电极材料研究[D];天津大学;2010年
9 胡钢;纳米多孔碳材料的合成方法初探[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2003年
10 杨艳静;超级电容器用纳米二氧化锰的制备及电化学性能研究[D];湘潭大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 赵文;超级电容器:正在升起的新兴行业[N];科技日报;2004年
2 本报记者 彭友 石丽晖;深圳惠程拟参与组建新能源公司[N];上海证券报;2009年
3 何永晋;我国有了“超级电容器”[N];科技日报;2000年
4 记者 过国忠 通讯员 陈培;我国研制出基于超级电容器的动态电压恢复器[N];科技日报;2011年
5 辽宁工学院 陈永真;超级电容器原理及电特性[N];中国电子报;2003年
6 昆明 兰得春;超级电容[N];电子报;2007年
7 记者 刘丽伟;森塬活性炭自主研发国内空白产品[N];朝阳日报;2010年
8 记者 金晓明;研究支持措施 推进超容产业[N];朝阳日报;2010年
9 赵文;成就集星科技新能源[N];科技日报;2004年
10 李俊 记者 王春;申城首辆超级电容公交车运营[N];科技日报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978