有机胺诱导合成富氮碳微球及其应用研究

发布时间：2017-05-03 14:00

  本文关键词：有机胺诱导合成富氮碳微球及其应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多孔炭材料由于具有发达的孔结构、优异的导电性、良好的化学稳定性和生物相容性,在吸附分离、催化、电化学等领域具有重要的应用前景。其中,形貌可控的多孔碳微球近年来受到了广泛关注,然而,对于微球形成反应机理的研究仍存在空白。本文以不同结构的有机胺为氮源,间苯二酚、甲醛为碳源,在常温常压下通过水相反应合成具有单分散性、可控形貌的富氮聚合物微球,并以不同分子量的聚乙烯亚胺为研究对象,研究了该聚合过程的反应机理。制备所得聚合物再经高温碳化得到孔隙丰富的含氮碳微球,同时,考察了这些碳微球在CO2吸附及超级电容器方面的应用,主要研究结果如下：(1)本文提出的有机胺诱导间苯二酚-甲醛聚合是一种简单且通用的合成富氮聚合物的方法。无论所选有机胺(乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺、哌嗪、聚乙烯亚胺)的结构是直链、支链还是环状链,都可在常温常压下与间苯二酚-甲醛经聚合反应生成高含氮量、具有球形形貌的聚合物。再经600℃高温碳化后,可以得到比表面积为400-600m2/g、含氮量为6-9 wt.%的微孔碳微球。所制备的碳微球具有较高的CO2吸附量,在0℃时,吸附量可以达到3.5-4 mmol/g,且具有稳定的吸脱附循环性能。系统考察了碳化温度、反应温度、浓度、PEI/R摩尔比都对材料形貌以及结构的影响,最终选取反应温度30℃、浓度3wt.%、PEI/R=1.5、碳化温度为600℃为最佳合成工艺。(2)以不同分子量的聚乙烯亚胺为研究对象,采用动态光散射法测量聚合物水和粒径在反应初期随着时间的变化,并推测了该聚合过程的反应机理。PEI-R-F自组装生成聚合物,经历成核及生长两个过程,随着PEI分子量的增加,最终所得聚合物的粒径减小。动态光散射结果显示在聚合初始过程中,聚合物水和粒径随着时间为先减小再变大,这是由于此过程有两部分反应同时进行：一、聚合物内部物质进一步聚合交联,使得体积收缩；二、溶液中游离的小分子在表面继续聚合使得聚合物粒径变大。制备得到的含氮聚合物均表现为核壳结构,其中,N原子主要集中在聚合物内部。聚合过程的反应机理通过TEM、XPS、EA等表征方法得以验证。(3)为进一步丰富碳微球的空隙结构,对碳微球进行了KOH活化处理,得到一系列高比表面积、高球形度的活化碳微球。研究发现,随着KOH/C质量比的增加,活化得到的碳微球比表面积及孔容都增加明显,当质量比KOH/C=3时,活化碳微球的比表面积可达1980 m2/g,其中以微孔为主,且在273 K下CO2吸附量可达6.0 mmol/g。此外,活化碳微球还可以作为良好的电容器材料。当KOH/C质量比为2和3时所得活化碳微球的容量分别为186 F.g-1和241 F·g-1,且具有较好的倍率性能以及循环性能。
【关键词】：聚合物微球 碳微球 反应机理 CO_2吸附 超级电容器
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 文献综述10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 多孔炭材料的制备方法11-16
• 1.2.1 气相沉积法11-12
• 1.2.2 模板法12-14
• 1.2.3 水热碳化法14
• 1.2.4 溶胶-凝胶法14-16
• 1.3 多孔炭材料改性方法16-19
• 1.3.1 活化法16-17
• 1.3.2 氮掺杂17-19
• 1.4 多孔炭材料的应用19-21
• 1.4.1 超级电容器19-20
• 1.4.2 吸附领域20
• 1.4.3 催化领域20-21
• 1.5 多孔碳微球的研究现状21-22
• 1.6 课题的提出与主要研究内容22-24
• 第2章 实验部分24-27
• 2.1 主要的实验原料24
• 2.2 主要仪器设备24-25
• 2.3 分析表征方法25-27
• 第3章 富氮碳微球的合成工艺及吸附性能考察27-46
• 3.1 引言27
• 3.2 实验部分27
• 3.3 结果与讨论27-45
• 3.3.1 实验原理27-28
• 3.3.2 聚合物的微观形貌28-30
• 3.3.3 聚合物的结构表征30-34
• 3.3.4 碳微球的形貌与结构表征及CO_2吸附应用34-38
• 3.3.5 合成工艺对材料形貌与结构的影响38-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 PEI合成富氮碳微球的机理研究46-62
• 4.1 引言46
• 4.2 实验部分46
• 4.3 结果与讨论46-61
• 4.3.1 聚合物的微观形貌46-48
• 4.3.2 聚合物的结构表征48-52
• 4.3.3 聚合物反应过程机理探究52-55
• 4.3.4 碳微球的表征及应用55-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 碳微球的活化改性及吸附性能与电化学性能考察62-71
• 5.1 引言62
• 5.2 实验部分62
• 5.2.1 活化碳微球的制备62
• 5.2.2 电容器性能测试62
• 5.3 结果与讨论62-70
• 5.3.1 活化碳微球的形貌62-63
• 5.3.2 活化碳微球的结构表征63-66
• 5.3.3 活化碳微球的CO_2吸附应用66-67
• 5.3.4 活化碳微球的电化学应用67-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 6.1 主要结论71-72
• 6.2 创新点72
• 6.3 工作展望72-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-80
• 附录80

【参考文献】

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本文编号：343110