ZIF-基氮掺杂的多孔碳的制备及其电化学和吸附性能研究

发布时间：2020-10-27 01:02

　　 传统的化石燃料日益消耗,例如煤、石油、天然气,因此研发可再生的清洁能源成为当今研究的热点之一。与之密切相关的便是能源存储与转化技术,包括超级电容器、锂电池和太阳能电池等。作为新型的电化学储能器件,超级电容器具有很多优点,例如对环境无污染,循环性能良好以及高的功率密度。超级电容器的电极材料是影响超级电容器性能的关键因素,因此研发出高容量的新型碳具有非常重要的现实意义。近来,金属有机骨架材料(简称MOFs)因为其具有高孔隙率、高比表面积、孔径可调、多维网络结构等优点,使得MOFs能够作为潜在的前驱体来制备多孔碳,应用于电化学能量存储设备。由于ZIFs系列(Zeolitic Imidazolate Frameworks,简称ZIFs)框架材料具有类沸石结构、好的热稳定性以及配体中含有丰富的氮源,因此本文主要采用ZIF框架材料作为模板来制备氮掺杂的多孔碳,其具有优良的电化学性能以及对氙气的吸附性能。本论文的研究内容如下：(1)以高比表面积、高稳定性、含有丰富氮源的ZIF-8作为前驱体,引入四种不同的绿色无毒无污染的二级碳源,包括三聚氰胺、尿素、木糖醇和蔗糖,在高温950℃、氩气氛围下碳化,成功地制备相应的ZIF-基氮掺杂的多孔碳材料。详细地研究了不同碳源的引入对ZIF-基氮掺杂多孔碳材料的结构、形貌、孔径、比表面积、石墨化程度以及氮含量的影响。(2)研究了五种ZIF-基氮掺杂的多孔碳作为电极材料在超级电容器中的应用。利用三电极系统,测试了其GC曲线、CV曲线和EIS图等电化学性能。结果显示：通过加入较大分子尺寸的二级碳源(如蔗糖)进入ZIF-8模板制备的多孔碳Carbon-ZS具有较好的电化学性能,因为,在加热过程中,吸附在ZIF-8表面的蔗糖分子先融化和聚合有效地保护了ZIF骨架上的氮源,从而使得制备的Carbon-ZS具有较高的氮含量,尤其是最高的N-Q含量。而且,Carbon-ZS具有良好的导电性和合适的分级的微孔／中孔结构,有利于电解质离子在电极材料中的扩散和传递。在碱性电解液的三电极体系中,在0.1 A g-1电流密度下Carbon-ZS的比电容高达285.8F g-1。此外,作为电极材料,Carbon-ZS还具有优良的循环稳定性。(3)以ZIF-8和ZIF-8/木糖醇复合物分别作为前驱体,利用碳化方法,制备ZIF-基氮掺杂多孔碳,应用于常温下的Xe吸附和分离。结果表明,引入木糖醇二级碳源制备的多孔碳材料Carbon-ZX表现出了极高的Xe吸附值,在298 K和1 bar下达到了4.42 mmol g-1,比母体ZIF-8的Xe吸附值高出三倍多。此外,Carbon-ZX对Xe/N：混合物具有最高的选择性,达到了～120。这个值高过了其他所有报道过的MOFs对Xe/N2的选择性。可见,ZIF-基氮掺杂多孔碳材料将会是室温下Xe吸附和分离的优良的吸附剂。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【部分图文】：

通常是芳香酸或碱的氮、氧多齿配体，通过配位键与金属离子桥连而形成的??一维或多维的周期性框架晶体材料Ｗ。首先系统性地开始研究金属有机骨架化合物的??是０．?Ｍ．?Ｙａｇｈｉ课题组，他们在１９９９年报道了?Ｍ０Ｆ－５的结构Ｐ１。图１－１就是Ｍ０Ｆ－５??的结构图，其具有高达２９００?ｍ２?ｇ＇ｌ的朗缪尔表面积。之后，越来越多的科研工作者投??入到对ＭＯＦｓ的研巧中，包括其制备方法、材料改性、储氨应用等。??因此，出现了大量的评论和综述来总结ＭＯＦｓ的研究进展和取得的成果，其中很??受瞩目的研究组有Ｓ．?ＫｉｔａｇａｗａＰＩ，０．?Ｍ．?Ｙａｇｈｉ【ｉ喃Ｇ．?Ｆ紅６严这；个研究组。ＭＯＦｓ作??为存储媒介，其结构、性能及潜在的应用也受到了更多的关注ｔＵＷ。现如今，几百??多种不同结构的ＭＯＦｓ己经通过实验得到证明。作为连接中屯、的金属离子，与大量的??有机桥连配体自组装，形成了可控结构的纳米多化材料，这些材料具有很高的热稳定??性和机械稳定性。不同于传统的沸石材料、碳材料、氧化物等

Ｐｉｌｌａｒｅｄ－Ｌａｙｅｒ）系列［气ＵｉＯ（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｏｓｌｏ）【ｕ］系列Ｗ及具有孔笼－孔道结构…］的系??列材料等等。其中，法国凡尔赛大学的Ｆ知ｅｙ研究组合成的ＭＩＬ系列材料，具有其他??系列不具备的恃点，即材料初性非常好，这一持性被称为＂呼吸现象＂，如图１－２，即??是Ｍｍ－５３的＂呼吸现象＂。??１６?Ｋ?：＞?Ａ??１９汹Ａ??’？??ＩＩＩ＂■—■■■■■■＂ＩＩＩ＂＂—?＊?？，?？??化?Ｏ?乂?Ｘ．??ｎ?＾?？?一?全?Ａ?＂２＂?？？?＊＊?？？??７８５Ａ?＇；＊＊？？＊?＊一？八、？？、＊；、二：《：?：：＜?？：；：釀Ａ??Ｉ、－、？、一?？、一?＋Ｈ：０??山?＇丫’??图１－２?Ｍ＾－５３可逆的吸水－脱水示意图阿??Ｆｉｇ．１－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?化６?ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ?ｈｙｄｒａｔｉｏｎ－ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｍ１Ｌ－５３间??ＭＯＦｓ作为一种功能性的多孔材料，在气体吸附、催化、传感等应用领域都展现??了令人瞩目的优良性能，己经受到了全世界研究学者的广泛关注。现有的研巧表明?ｊ??ＭＯＦｓ能够有效地存储Ｈ２，?Ｃ〇２，?ＣＨ４等气体。为了开拓新的潜在应用，除了在现有??基础上通过修饰有机配体来改性ＭＯＦｓ材料，最重要的还是通过从设计合成及功能??化结构设计上来实现。现有关于研究ＭＯＦｓ的文章和报告，己经有几十万篇。近些年?．??来，备受关注的当属于ＭＯＦｓ作为牺牲模板在超级电容器、燃料电池、裡离子电池领??域的应用

方法的多种优点，使得有望实现工业化连续生产。多条路线合成ＭＯＦｓ也使得ＭＯＦｓ??更具结构多样化等特点。近些年，研究人员也发现了更多地合成方式，包括超声法合??成、机械合成Ｗ及离子热合成。如图１－３表示了?ＭＯＦｓ现有的多种合成路径示意图。??合成路径对产物的结构、形貌的影响至关重要，因此，探求新的高效、便捷、无污染??的合成路径是ＭＯＦｓ能够产业化的关键因素。??Ｖ？?島?Ａ／ｖ｜ｓ?優］｜）｜＾广７??＼?ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ?ｅｋｃＫｏｃｈｅｍｉｓｔｔｙ?ｍｉｃｒｏｗａ?化‘－ａｓｓｉｓ?化?ｄ?，ｎｃｃｈａｒＫＫ：ｈｃｍｉｓｔｒｙ?ｙ／ｕｓ；化ｗ?地／??＼?ｈｅａｒｉｎｇ?ｈｅａｄｎｇ?ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ?／??ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ?巧?ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ??ｎｕ＇ｒｈｏｄｓ?慰?ａｕｔｏｃｌａｖｅ??ｔ皆《參暴奪邸：：ｒｈｐ＂??ｒｏｏｍ?ｅｌｅｖａｔｅｄ?ｓｏＫ－ｕｆｈｃｒｍａｌ?化?ｍｐｅｎｕｕｒｅ??ｉｃｍｐｃｒａｕｉｒｃ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ｃｏ?打?ｄｉｄｏｎｓ??Ｖ??－＿＿???－?－－－－－－－－－－－－－－－－?ｙ??图１－３?ＭＯＦｓ的多种合成路径ｔｉｌｌ??Ｆｉｇ．１－３?Ｏｖｅｒｖｉｅｗ?ｏｆ?ｖａｒｉｏｕｓ?ｓｙｎ化ｅｔｉｃ?ｍｅｔｈｏｄｓ?ｏｆ?ＭＯＦ【＂】??１．２．２?ＭＯＦｓ的特性??研究学者发现存在一些ＭＯＦｓ，在经历完全或者几乎完全的去溶剂化之后，依旧??３??
【共引文献】

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本文编号：2857782