聚苯胺—聚对苯乙烯磺酸水凝胶基活性炭的制备与应用基础研究

发布时间：2017-12-19 18:29

  本文关键词：聚苯胺—聚对苯乙烯磺酸水凝胶基活性炭的制备与应用基础研究　出处：《中国林业科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：导电聚合物不仅具有优异的导电性和可加工性,而且还具有易成型,结构可设计,合成成本低等优势,因而备受关注。聚苯胺作为研究最为广泛的聚合物之一,也是在各应用领域都有涉及的重要材料。为了满足各行业对聚苯胺及其复合材料结构和性质的要求,科研人员正致力于研究结构新颖,性能优越,制备方法简便的新型聚苯胺材料。这对于扩大聚合物种类和应用领域有重要的意义。本文旨在提出新型具有特殊结构聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸(PAn-PSS)水凝胶的制备技术,通过对其结构和性质分析明确应用领域;设计该聚合物热解活化制备活性炭材料途径,探明该炭材料的性能及应用,使其满足现代科技工业对活性炭的专业型要求。本论文研究的主要内容及结果如下:(1)新型结构聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶的制备研究。直接利用带正电荷的聚苯胺链和带负电荷的聚对苯乙烯磺酸链在浓溶液聚合形成聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶。通过绘制该复合材料的相图可以清晰的看出水凝胶结构和胶体结构的PAn-PSS的各自的聚合条件。在聚苯胺水凝胶体系中,PAn和PSS之间通过静电力形成网络状结构,扫描电镜和原子力显微镜发现水凝胶具有直径为25~35 nm的1D纳米纤维组成的多级孔结构,包含大孔,中孔,微孔同时存在的多级层状结构。FT-IR和XRD分析表明PAn-PSS水凝胶和胶体颗粒都是无定型结构。当该材料放在碱性溶液中,水凝胶经过脱掺杂反应可以变为胶体颗粒。PAn-PSS水凝胶的电导率为0.22 S/m,大于PAn-PSS胶体颗粒的电导率0.1 S/m。(2)聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶在电化学中的应用研究。根据PAn-PSS水凝胶的特殊结构和性质,将其作为超级电容器电极材料,并与PAn-PSS胶体颗粒电极材料相比较,PAn-PSS水凝胶和胶体颗粒的电容分别为232和212 F/g。通过测试循环寿命,计算能量密度和功率密度,表明了PAn-PSS水凝胶作为超级电容器电极材料的优越性;通过PAn-PSS电极在氯铂酸水溶液中经过循环伏安扫描,将Pt负载在PAn-PSS水凝胶上得到PAn-PSS水凝胶-Pt催化剂,Pt颗粒在PAn-PSS水凝胶上呈现相对独立的分散状态,平均粒径为100 nm左右,PAn-PSS水凝胶-Pt电极的甲醇氧化电流密度比PAn-PSS胶体-Pt电极高19%,PAn-PSS水凝胶-Pt催化剂在0.65 V时催化甲醇氧化2500 s的电流密度为0.2543 mA/cm2。(3)聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶热解活化制备活性炭材料的研究。将PAn-PSS水凝胶在N2氛围下分别加热至500,600,700和800℃炭化温度,升温速率为5℃/min。保持在炭化温度2 h后,采用KOH法活化,制得四种活性炭样品。结果表明:AC500和AC600样品的孔径主要集中分布在2 nm~5 nm之间,AC700和AC800的孔径主要集中在1 nm以下。AC600具有最大的比表面积和总孔容积分别为3275 m2/g和1.924 cm3/g,中孔容积可达70%以上;650℃温度下炭化再经KOH活化得到的PAn-PSS水凝胶基活性炭材料AC650,与AC500和AC600类似,孔结构以大小比较均一的中孔为主(大约2~3 nm),比表面积高达2613 m2/g,总孔容积为1.873cm3/g,中孔率高达54%。元素分析表明在AC650氮元素中吡啶氮,氨基氮,吡咯氮和四价氮的比例为0.6:1:0.86:0.73。(4)聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶基活性炭在中小分子毒素吸附方面的研究。37℃条件下,VB12溶液在AC500,AC600,AC700和AC800上的吸附量分别为983,587,1531和452 mg/g。与Freundlich方程相比,Langmuir方程对四种炭材料的吸附数据的拟合结果线性关系更加明显,拟合度更高,相关系数R2均在0.998以上。AC500,AC600,AC700和AC800对VB12的吸附率分别可以达到56.46%,97.1%,37.2%和24.3%。对AC600来说,其吸附率可在1 h内达到72.9%。与准一级方程和颗粒内扩散方程相比,利用准二级方程的对该过程的吸附动力学拟合结果更加理想,R20.999,表明该吸附过程主要是由化学作用控制的;肌酐溶液在AC650上的吸附量为341.2 mg/g,吸附能力明显大于作为对比的椰壳活性炭的肌酐吸附量,利用Freundlich方程拟合该吸附过程,R2为0.9817,拟合曲线拟合度较好。AC650与椰壳活性炭都可以在7 h内达到对肌酐的吸附平衡,这一平衡时间与食物在胃肠道中的消化时间接近,满足药物代谢动力学的要求。而AC650的吸附率为53.7%,高于椰壳活性炭的吸附率。采用准二级模型对该吸附动力学过程进行模拟,相关系数高达0.9994。(5)聚苯胺-聚对苯乙烯磺酸水凝胶基活性炭复合材料的制备及应用研究。以AC600炭材料为基体,采用原位聚合法制备AC600-PAn复合材料。通过IR,TG-DTG,XPS等分析方法对该复合材料的结构进行表征,结果表明,所得复合材料不仅具有良好的热稳定性,在热解过程中损失小;而且还具有一定的质子掺杂水平。通过循环伏安,恒电位充放电等电化学手段对AC600-PAn复合材料进行表征,结果表明:因法拉第电容和双电层电容的协同效应,该复合材料不仅具有较好的电化学电容性能,还具备较好的倍率性能;在0.5 A/g,1 A/g,2 A/g和5 A/g等不同电流密度下,该复合材料的比电容分别为154.8,148.4,142.8和132 F/g,能量密度分别为21.5,20.6,19.8和18.3 Wh/kg。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ424.1

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