嵌段共聚物模板法有序介孔炭的可控制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-03-28 16:07

  本文关键词：嵌段共聚物模板法有序介孔炭的可控制备及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有序介孔炭(ordered mesoporous carbon,OMC)除了具备炭材料的通性外,还具有比表面积高,孔径均一、孔道分布均匀等特点,可应用于催化、分离、吸附、光电转换、能源转换与存储等领域。由于炭材料表面原子结构具有可控性,可利用异种原子进行掺杂,使碳原子的最外层电子结构发生变化,带来更优异的理化性能。本论文以嵌段共聚物为软模板,制备了硼掺杂有序介孔炭(boron doped ordered mesoporous carbon,BOMC),研究了BOMC的电化学性能,探究了结构变化对于电容性能的影响。制备了Fe、N、B共掺杂OMC ((Fe,N,B)-OMC)催化剂,研究了其催化氧气还原反应(ORR)性能及机理。主要的研究结果如下：(1)以三嵌段聚合物F127为模板,采用软模板法,制得二维六方通孔介孔结构的片层状OMC,其比表面积在682.32-398.06 m~2·g~(-1),孔容在0.526-0.241 cm3·g~(-1),孔径在5.6-4.4 nm。研究了酚醛树脂质量及炭化温度对OMC结构的影响。(2)通过硼酸与苄羟基“桥连”反应固化改性酚醛树脂前驱体,增强相分离结构的稳定性。反应后T型交联酚醛树脂的网络上形成了原位的B-O-C键,炭化后可实现硼原位掺杂。考察了炭化温度对产物结构和成分的影响,制备了结构更稳定,比表面积在396.33-641.03m~2·9~(-1),扩孔的二维六方通孔结构的片层状BOMC。同时,硼以B-OC、B-C键的形式实现了原位掺杂。产物的介孔比表面积增加,B-C、B-O-C键改变了碳的化学状态,其比容量达162.12 F·g~(-1),较OMC提高了一倍,倍率性能也因硼掺杂得到提升。(3)为提高产物孔道间连通性,利于孔道内部的传质传导,对BOMC进行酸洗处理。形成大量微孔,其比表面积提高了71.8%,电容量增加11%,并在10000次充放电后容量保持在96.6%(5 A·g~(-1)),表现出优异的循环稳定性。为引入含氧基团改变表面化学状态,改善产物表面的亲水性,促进表面传质,又对BOMC进行了酸化处理。其比表面积提高了63.2%,由于表面被含氧官能团修饰,孔径下降到4.2 nm,而其比容量提高到318 F·g~(-1),能量密度达到22.52Wh·Kg~(-1)。(4)以8-羟基喹啉合铁(Ⅲ)作为前驱体,炭化后的Fe-N结构为催化活性中心,制得(Fe,N,B)-OMC催化剂。研究了前驱体比例对成分及结构及催化活性的影响,80%-(Fe,N,B)-OMC结构及成分最佳,表面含有0.47%的最高Fe含量,比表面积达315.68 m~2·g~(-1),在催化氧气还原反应中表现出接近20% Pt/C的催化活性。通过催化过程机理及稳定性的研究,证明了(Fe,N,B)-OMC的ORR反应机制为四电子催化反应机理,并表明了(Fe,N,B)-OMC具有高于商业Pt/C的稳定性。
【关键词】：软模板法 硼掺杂有序介孔炭 超级电容器 氧气还原反应
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 符号说明16-17
• 第一章 绪论17-31
• 1.1 有序介孔炭17-23
• 1.1.1 多孔炭材料简介17-18
• 1.1.2 有序介孔炭简介18-19
• 1.1.3 介孔分子筛基本类型19-20
• 1.1.4 有序介孔炭制备方法20-23
• 1.2 炭材料表观形貌及组成调控23-26
• 1.2.1 表观形貌的调控23-24
• 1.2.2 炭材料石墨化程度的调控24-25
• 1.2.3 杂原子掺杂对炭材料原子结构的调控25-26
• 1.3 有序介孔炭的应用领域26-28
• 1.3.1 锂离子电池26-27
• 1.3.2 超级电容器27
• 1.3.3 燃料电池氧还原催化剂27-28
• 1.4 选题意义、研究内容及论文创新点28-31
• 1.4.1 课题研究意义28-29
• 1.4.2 课题研究内容29
• 1.4.3 论文创新点29-31
• 第二章 实验原料、主要仪器及测试分析方法31-37
• 2.1 实验原料及试剂31-33
• 2.2 主要实验仪器33
• 2.3 实验主要测试表征仪器33-35
• 2.4 电化学性能测试35-37
• 2.4.1 氧气还原反应催化活性测试35
• 2.4.2 超级电容电容性能测试35-37
• 第三章 基于嵌段聚合为模板有序介孔炭制备及结构调控37-47
• 3.0 引言37
• 3.1 实验部分37-38
• 3.1.1 甲阶酚醛树脂合成37
• 3.1.2 自组装及热固化过程37-38
• 3.1.3 除模板及炭化38
• 3.2 制备过程结构及成分变化的研究38-41
• 3.2.1 炭化前结构及成分研究38-40
• 3.2.2 炭化过程结构及成分研究40-41
• 3.3 有序多孔炭形貌及结构表征41-46
• 3.3.1 有序介孔炭形貌表征41-42
• 3.3.2 不同resol比例对有序介孔炭结构的影响42-44
• 3.3.3 炭化温度对有序介孔炭结构的影响44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 原位硼掺杂有序介孔炭制备及其电化学性能研究47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.3 硼酸固化过程研究48-49
• 4.4 炭化温度对硼掺杂有序介孔炭结构及成分影响49-56
• 4.4.1 硼掺杂有序介孔炭形貌研究49-50
• 4.4.2 炭化温度对硼掺杂有序介孔炭结构的影响50-53
• 4.4.3 炭化温度对硼掺杂有序介孔炭成分的影响53-56
• 4.5 硼掺杂有序介孔炭电化学性能研究56-60
• 4.5.1 有序介孔炭电容性能的研究56-57
• 4.5.2 炭化温度对硼掺有序介孔炭电容性能的影响57-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第五章 硼掺杂有序介孔炭的结构和成分优化及电化学性能研究61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 实验部分61
• 5.3 硼掺杂有序介孔炭的结构和成分优化研究61-65
• 5.3.1 硼掺杂有序介孔结构优化的研究61-63
• 5.3.2 硼掺杂有序介孔成分优化的研究63-65
• 5.4 结构和成分优化的硼掺杂有序介孔炭电化学性能研究65-69
• 5.4.1 结构和成分优化的硼掺杂有序介孔炭电容研究65-67
• 5.4.2 酸洗硼掺杂有序介孔炭稳定性的研究67-68
• 5.4.3 酸化硼掺杂有序介孔炭两电极电池性能的研究68-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭电化学性能研究71-81
• 6.1 引言71-72
• 6.2 实验部分72
• 6.3 铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭结构和成分研究72-76
• 6.3.1 前驱体比例对铁、氮、硼共掺杂的有序介孔炭结构的影响72-74
• 6.3.2 前驱体比例对铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭成分的影响74-76
• 6.4 铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭电化学性能研究76-80
• 6.4.1 前驱体比例对催化性能的影响77
• 6.4.2 铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭催化机理的研究77-79
• 6.4.3 铁、氮、硼共掺杂有序介孔炭稳定性的研究79-80
• 6.5 本章小结80-81
• 第七章 全文总结81-83
• 参考文献83-91
• 致谢91-93
• 研究成果及发表的学术论文93-95
• 作者及导师简介95-97
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书97-98

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本文编号：272577