脱卤反应制备新型碳材料及其析氢性能研究

发布时间：2020-05-03 18:10

【摘要】：碳元素因其独特的电子轨道特性使得其具有非常多样的成键杂化形式,因此碳元素可以构建从零维到三维性能各异的材料。近年来,制备碳材料的方法层出不穷,同时其性能的研究,尤其是在能源相关领域的应用研究越来越多。针对碳材料硬度、光学特性、导电性、表面与界面特性等方面的优异性能,该论文通过对含卤素碳源在各种不同条件下的碱性脱卤反应来制备新型碳纳米材料,并对其电子结构及性能进行了一定的研究,同时也通过第一性原理研究了室温碱性脱卤反应的机理。主要工作如下:1.通过密度泛函理论研究室温强碱脱卤反应机理。在室温下通过强碱性脱卤反应制备碳材料,以高度卤化的高分子材料PVDC为碳源,通过手动研磨即可完成碳化,且部分未环化的碳位点有着较高的活性,可与杂原子建立连接来实现掺杂碳材料的制备。我们通过2,2-二氯丁烷来代替长链PVDC,通过高斯软件模拟PVDC的脱氯及掺杂机理。计算结果表明,在室温下PVDC在碱性作用下分两步脱卤,其能垒分别为1.38 kcal/mol和11.69 kcal/mol。我们用NH3来模拟杂原子掺杂,其反应能垒为36.99 kcal/mol。2.利用脱卤反应将NP成功掺入碳链中并焙烧得到NP掺杂C3N4。利用溶剂热法使六氯环三磷腈与三聚氰胺在一定条件下发生脱卤反应来实现制备NP掺杂的碳材料,通过高温煅烧来实现其光电催化分解水析氢的目的。理论计算发现NP掺杂使C3N4带隙变小,光谱响应范围增加,载流子传输速率增强,实验测试结果表明NP掺杂C3N4相对于纯氮化碳,其光响应电流大幅度提升,带隙从2.7 eV降低到2.3 eV,明场下的析氢过电位降低至0.25 V。综上所述,通过脱卤反应制备掺杂碳材料是一种高效实用的新方法,利用其制备的NP掺杂C3N4在光电催化方面有着非常重要的应用。
【图文】：

碳材料,碳源

图１－１碳材料发展历史逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１邋Ｃａｒｂｏｎ邋Ｍａｔｅｒｉａｌｓ邋Ｈｉｓｔｏｒｙ逡逑材料的制备逡逑碳材料所用到的原料非常丰富，而且制备碳材料的方法也非常多种多料合成的分类方法也比较多。本文以合成原料不同来介绍碳材料的一法。不同的碳源可以通过相同的碳化方式，也可以通过不同的碳化方产物。通过碳源合成碳材料会经历一个最基本的的过程，就是碳源中。而碳源中非碳组分的脱除，可以在气相中完成，在气相反应体系中，积法［１１］、高温热分解法［１２］等；也可以在液相中完成，液相反应体系中，合成法［１３４５］、溶剂热合成法［１６，１７］、低温液相热解法［１８］等。有的甚至可合成碳材料的碳源非常广泛，我们按它们的性质不同，分为无机碳源中有机碳源中我们按照分子量大小分为小分子碳源比如二氧化碳、四

形貌,基底材料,液态,石墨

可控性都非常强，，一般都是利用化学气相沉积（ＣＶＤ）法来处理。化学气相沉积法制逡逑备碳材料是通过高温在催化剂表面使得挥发质碳源裂解脱出官能团并经过不同的反逡逑应途径形成稳定相的一种常用方法。例如图１－２所示利用ＣＶＤ法在不同基底上裂解逡逑甲烷得到各种基底形貌的石墨烯［１９—２１］。逡逑Ｉ逡逑图１－２不同基底材料上甲烷裂解制备的石墨烯，Ａ为液态0！珠［１９］，邋Ｂ为多空Ｎｉ［２（）］，邋Ｃ为三维泡逡逑沫镇ｐｌ］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｉｓ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ邋ｂｙ邋ｍｅｔｈａｎｅ邋ｃｒａｃｋｉｎｇ邋ｏｎ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．邋Ａ邋ｉｓ邋ｌｉｑｕｉｄ邋Ｃｕ，Ｂ邋ｉｓ逡逑ｐｏｌｙｎｕｃｌｅａｒ邋Ｎｉ，邋ａｎｄ邋Ｃ邋ｉｓ邋３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｎｉｃｋｅｌ邋ｆｏａｍ．逡逑１．２．１．１．２醇酸类有机碳源逡逑乙醇、聚糖、葡萄糖、聚酯、生物有机质等含氧官能团的有机碳源在自然界本身逡逑存在或者可低成本的大量合成，所以用此类碳源制备碳材料具有很高的经济性。醇酸逡逑类有机碳源因为有很好的水溶性，所以在其脱除羟基或羧基官能团时非常适合液相化逡逑学合成方法耦合［２２］。而且醇酸类碳源有非常丰富的有机化学性质，在成碳时形成多组逡逑分碳材料，同时因其多样的化学性质，这类碳源可以利用模版法来制备不同形貌及多逡逑孔结构的碳材料。例如葡萄糖的碳化过程
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TQ116.2

【共引文献】