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多孔碳材料的制备与应用

邢亭亭  
【摘要】:多孔碳材料具有丰富的孔道结构,较大的比表面积和良好的热稳定性和化学稳定性等优点被广泛应用于吸附分离、催化剂载体、电容器电容等方面。本文以碳材料为中心,围绕碳材料的孔隙的扩展,形貌的控制和碳材料的改性进行研究并进行应用测试,主要内容如下:1)以间苯二酚和甲醛为碳源,氨水作为催化剂,在乙醇-水的体系中合成碳球,在合成过程中原位添加TEOS来丰富扩展碳的孔结构,并应用于CO2吸附,事实证明硅源的加入有利于比表面积增加,也证明比表面积增加,吸附量增加。另外用化学改性的方法增加多孔碳的吸附性能,实验中以原位掺杂的方式在合成过程中加入一定比例的三聚氰胺作为氮源,对材料进行化学改性,制备含有碱性基团的掺氮碳球,通过红外表征证明氮元素成功进入到了碳的基体里,并且碳球保持了良好的球形形貌。将所制备的掺氮碳球用于二氧化碳吸附,显示了优异的吸附性能,也证明了将多孔碳球或者掺氮的碳球应用于将来酸性气体的吸附将会有良好的应用。2)利用改进的St?ber作为硅球,在重力沉积下制备整齐排列的硅球,即胶晶模板,把胶晶作为模板,选择氮含量高的离子液体氯化1-乙腈基-3-甲基咪唑离子液体作为碳源氮源,同时离子液体作为软模板来创造介孔,制备了氮掺杂的整齐排列的多级孔碳球。通过XPS分析得到样品中存在氮元素,而且多级孔碳的表面N的含量高达6.67at%,说明通过浸渍的方法已经成功的将N元素引入碳材料中。通过氮气的吸附脱附表征技术得到材料中存在两个介孔尺寸,集中在3.3 nm和30.2 nm。由于该碳材料具有丰富规则的的孔道结构,以及高的含氮量,这样既有利于粒子的的传输和转移,同时高的含氮量使得碳材料的浸润性增加,将该多孔碳应用于超级电容器方面展现了优异的电化学性能。3)通过简单的后浸渍的方法合成石墨化多级孔碳材料,即石墨化小球。实验中以改进St?ber作为理论基础,以间苯二酚和甲醛为碳源,通过后浸渍K3[Fe(CN)6],并以其作为催化剂,催化酚醛树脂球碳化得到孔隙丰富,粒径均匀的石墨化小球。在1000°C下催化石墨化成功的得到直径为625 nm的小球,并且具有高度的石墨化结构。此外,GCS-1000具有多级孔结构的特征,拥有高的比表面积(381 m2 g-1)和较大的孔体积(0.45 cm3 g-1)。由于材料高度的石墨化和显著的多级孔结构,GSC-10000表现出做为超级电容器的良好性能。


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