聚丙烯腈基多孔碳材料的制备及其性能研究

发布时间：2020-10-23 12:02

　　 多孔碳材料是一类以碳为基本骨架的多孔结构材料,拥有相互贯通或者封闭的孔洞构成的网络结构,既具有碳材料的高稳定性、优良的导电性及价格低廉等特点,又具有多孔材料的高比表面积、孔径可控等优异性能,被广泛应用作电极材料、吸附材料、储能材料和催化剂载体。纳米多孔碳球具有微观结构丰富、几何形状规则、流动性好、比表面积高且生物相容性好,在吸附、催化、生物医学和能量转移与储存等领域拥有广阔的应用前景。本文的第一部分介绍了近年来国内外多孔碳材料的研究进展,包括多孔碳材料概念、制备方法、氮掺杂以及应用领域等。概述了水热碳化法、模板法、化学气相沉积法、乳液聚合法和改进Stober法等多孔碳材料的制备方法。多孔碳材料因其独特的形貌与性能,可用作超级电容器电极材料、锂离子电池负极材料、储氢材料、催化剂载体、吸附剂等。本文的第二部分采用细乳液聚合法制备了聚丙烯腈(PAN)纳米微球,滴加γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)继续聚合形成聚丙烯腈@聚(γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)(PAN@PMPS)核壳结构复合微球,以此作为氮掺杂多孔碳球(NPCS)的前驱体,经预氧化、碳化及Si02的刻蚀之后制得分散性好的NPCS。研究了水相阻聚剂亚硝酸钠(NaN02)及交联剂二乙烯基苯(DVB)对前驱体PAN@PMPS复合微球形貌的影响。对PAN@PMPS微球及NPCS分别进行了红外(FTIR)、激光粒度仪(DLS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、N2吸附等温线及X射线衍射(XRD)等表征。结果表明,NaN02的添加对PAN@PMPS的形貌有重要影响,未添加的PAN@PMPS复合微球团聚严重,通过添加NaN02和选择适当配比的交联剂DVB,制备出大小均一的NPCS。通过FTIR分析和DLS分析表明成功制备了 PAN@PMPS复合微球;通过TEM及SEM等分析可以看出,所制备的NPCS分散性良好,表明外部包裹的交联的PMPS充当了保护性壳,防止PAN在碳化过程中的团聚和融合。NPCS粒径为～122 nm,比表面积为202 m2/g,孔径为4.0nm,孔体积为0.35cm3/g,含氮量为13.75wt%。本文的第三部分系统地研究了各种因素对NPCS吸附Cu2+的影响,包括溶液初始pH值、吸附时间、吸附的温度及初始浓度,并研究了吸附等温线、吸附动力学和热力学。研究结果表明,NPCS对Cu2+有较高的吸附量,溶液的初始pH值显著影响NPCS对Cu2+的吸附,pH为6时,吸附效果最佳。298K下的平衡吸附量可达27.76 mg/g。NPCS对Cu2+的吸附量随着溶液的初始浓度及温度的增加而增大,吸附行为能较好的符合Langmuir等温线模型和拟二级动力学模型。NPCS对Cu2+的吸附是吸热的物理吸附。本文的第四部分采用PAN微球与ZnCl2混合,经预氧化、碳化及Si02的刻蚀之后,制得高比表面积的氮掺杂多孔碳材料(NPC)。对NPC分别进行了 TEM、Raman、XPS、N2吸附等温线及XRD等表征,研究了其吸附性能。结果表明,所制备的NPC氮含量高,均具有丰富的介孔及高的比表面积和大的孔体积。在0℃,1atm条件下,NPC均具有较高的CO2和Cu2+吸附量。其中NPC-H450对CO2 的吸附量最大,为 3.40 mmol/g;NPC-H450、NPC-H600 和 NPC-H700 对 Cu2+吸附24 h后的吸附量分别为52.55、56.08和62.88 mg/g。NPC-H700的吸附量最大可能因为高的氮含量。本文的第五部分以单分散的PAN微球为原料,用四乙烯五胺(TEPA)对其进行改性,并对改性后的聚丙烯腈微球(APAN)进行了表征,研究其吸附行为。结果表明,APAN微球的分散性良好,粒子大小均一,约为155 nm。APAN对Cu2+有较高的吸附量,溶液的初始pH为6时,吸附效果最佳。298K下,未改性的PAN微球对Cu2+的平衡吸附量非常有限,约为16.85 mg/g;APAN的平衡吸附量可达110.25 mg/g,增加了 6.5倍。APAN对Cu2+的吸附量随着溶液的初始浓度及温度的增加而增大,吸附行为能较好的符合Langmuir等温线模型和拟二级动力学模型。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.4;TQ127.11
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 多孔碳材料的概述
    1.2 多孔碳材料的制备方法
        1.2.1 水热碳化法
        1.2.2 模板法
        1.2.3 化学气相沉积法（CVD）
        1.2.4 乳液聚合法
        1.2.5 改进Stober法
    1.3 多孔碳材料的应用
        1.3.1 储能领域
        1.3.2 燃料电池催化剂载体
        1.3.3 吸附领域
        1.3.4 生物医药领域
    1.4 氮掺杂碳材料
        1.4.1 氮掺杂碳材料的性质
        1.4.2 氮掺杂碳材料的合成
    1.5 聚丙烯腈的制备及改性
        1.5.1 聚丙烯腈的制备
        1.5.2 细乳液聚合
        1.5.3 聚丙烯腈的胺改性
    1.6 展望
    1.7 本论文的研究内容和创新之处
        1.7.1 本论文的研究内容
        1.7.2 本论文的创新之处
第二章 氮掺杂纳米多孔碳球的制备与表征
    2.1 前言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验试剂
        2.2.2 实验仪器
        2.2.3 合成部分
        2.2.4 测试与表征
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 NPCS的制备示意图
        2.3.2 PAN@PMPS复合微球的形貌及影响因素
        2.3.3 NPCS的表征
    2.4 本章小结
第三章 氮掺杂纳米多孔碳球的铜离子吸附性能研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
        3.2.1 试剂与设备
        3.2.2 实验方法
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 pH值的影响
        3.3.2 接触时间的影响
        3.3.3 温度和初始浓度的影响
        3.3.4 吸附等温线
        3.3.5 吸附动力学
        3.3.6 吸附热力学
    3.4 本章小结
第四章 高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其吸附性能研究
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验试剂
        4.2.2 实验仪器
        4.2.3 合成部分
        4.2.4 测试与表征
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 NPC的表征
        4.3.2 吸附性能
    4.4 本章小结
第五章 胺改性PAN微球的制备及其铜离子吸附性能研究
    5.1 前言
    5.2 实验部分
        5.2.1 实验药品、设备
        5.2.2 实验部分
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 PAN微球的改性反应方程式
        5.3.2 APAN的表征
2+吸附结果'>        5.3.3 Cu²⁺吸附结果
    5.4 本章小结
第六章 全文总结
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果

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本文编号：2853011