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球形多孔碳材料的制备及其应用研究

李月彤  
【摘要】:开发新型吸附材料和储能材料,对治理水体污染和解决能源短缺问题具有重大意义。球形多孔碳材料具有较高的比表面积、开放的孔结构、可调节的直径和表面化学性质等特点,可应用于吸附和能量储存等诸多现代科学领域。因此,本论文从球形多孔碳材料的制备方法入手,分别制备出不同性质球形多孔碳材料,并研究其在吸附和储能方面的应用性能。主要研究内容如下:1)以六次甲基四胺和间苯二酚为碳源,正硅酸乙酯为无机物前驱体,表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和嵌段共聚物F127为共模板剂,通过水热合成的方法成功制备出直径在80~170 nm之间可调节的双介孔碳球。所制备介孔碳球最大比表面、孔容分别为1481 m~2/g、2.55 cm~3/g;相应介孔孔径分别为4.1 nm和24.1 nm。该碳球对水溶液中染料大分子甲基橙、碱性品红、亚甲基蓝有良好的吸附效果。实验中结合吸附动力学和吸附等温线模型对碳球吸附行为进行研究,全面分析了其作为工业吸附剂的可行性。2)提出“溶解-捕获”方法制备空心介孔碳球。首先以聚苯乙烯球为内核模板和碳源,在其表面均匀包覆介孔二氧化硅;然后利用四氢呋喃溶解聚苯乙烯,介孔二氧化硅捕获聚苯乙烯的过程形成空心结构;最后经交联化、碳化和去除二氧化硅过程,制备出介孔孔径均一且单分散存在的空心介孔碳球。实验发现,该方法可通过改变聚苯乙烯球的直径对空心介孔碳球的空腔大小进行精确调控。苯酚吸附性能测试表明,具有中空结构和丰富介孔的空心介孔碳球对苯酚分子具有良好的吸附能力。3)以“溶解-捕获”方法为理论基础,采用两种含氮基团的高分子聚合物(聚丙烯腈纳米球、聚苯乙烯/聚丙烯腈复合纳米球)作为氮前驱体,成功制备氮掺杂空心介孔球形碳胶囊和氮掺杂空心介孔碳球两种结构相似的氮掺杂空心球形碳材料。实验结果表明,这些碳材料具有均一的介孔孔径、较高的比表面积和氮含量。系统研究了这两种材料的电化学相关性质,为它们作为超级电容器电极材料的实际应用提供了基础性数据。


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