聚丙烯腈基多孔碳材料的制備及其性能研究.pdf

1、多孔碳材料是一類以碳為基本骨架的多孔結(jié)構(gòu)材料，擁有相互貫通或者封閉的孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既具有碳材料的高穩(wěn)定性、優(yōu)良的導(dǎo)電性及價格低廉等特點(diǎn)，又具有多孔材料的高比表面積、孔徑可控等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用作電極材料、吸附材料、儲能材料和催化劑載體。納米多孔碳球具有微觀結(jié)構(gòu)豐富、幾何形狀規(guī)則、流動性好、比表面積高且生物相容性好，在吸附、催化、生物醫(yī)學(xué)和能量轉(zhuǎn)移與儲存等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文的第一部分介紹了近年來國內(nèi)外多孔碳材

2、料的研究進(jìn)展，包括多孔碳材料概念、制備方法、氮摻雜以及應(yīng)用領(lǐng)域等。概述了水熱碳化法、模板法、化學(xué)氣相沉積法、乳液聚合法和改進(jìn)St(6)ber法等多孔碳材料的制備方法。多孔碳材料因其獨(dú)特的形貌與性能，可用作超級電容器電極材料、鋰離子電池負(fù)極材料、儲氫材料、催化劑載體、吸附劑等。
　　本文的第二部分采用細(xì)乳液聚合法制備了聚丙烯腈(PAN)納米微球，滴加γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)繼續(xù)聚合形成聚丙烯腈@聚（γ-甲基丙烯酰

3、氧基丙基三甲氧基硅烷）(PAN@PMPS)核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合微球，以此作為氮摻雜多孔碳球(NPCS)的前驅(qū)體，經(jīng)預(yù)氧化、碳化及SiO2的刻蝕之后制得分散性好的NPCS。研究了水相阻聚劑亞硝酸鈉(NaNO2)及交聯(lián)劑二乙烯基苯(DVB)對前驅(qū)體PAN@PMPS復(fù)合微球形貌的影響。對PAN@PMPS微球及NPCS分別進(jìn)行了紅外(FTIR)、激光粒度儀(DLS)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、拉曼光譜、X射線光電子能譜(XPS)、N2吸附

4、等溫線及X射線衍射(XRD)等表征。結(jié)果表明，NaNO2的添加對PAN@PMPS的形貌有重要影響，未添加的PAN@PMPS復(fù)合微球團(tuán)聚嚴(yán)重，通過添加NaNO2和選擇適當(dāng)配比的交聯(lián)劑DVB，制備出大小均一的NPCS。通過FTIR分析和DLS分析表明成功制備了PAN@PMPS復(fù)合微球;通過TEM及SEM等分析可以看出，所制備的NPCS分散性良好，表明外部包裹的交聯(lián)的PMPS充當(dāng)了保護(hù)性殼，防止PAN在碳化過程中的團(tuán)聚和融合。NPCS粒徑為～

5、122nm，比表面積為202m2/g，孔徑為4.0nm，孔體積為0.35cm3/g，含氮量為13.75wt％。
　　本文的第三部分系統(tǒng)地研究了各種因素對NPCS吸附Cu2+的影響，包括溶液初始pH值、吸附時間、吸附的溫度及初始濃度，并研究了吸附等溫線、吸附動力學(xué)和熱力學(xué)。研究結(jié)果表明，NPCS對Cu2+有較高的吸附量，溶液的初始pH值顯著影響NPCS對Cu2+的吸附，pH為6時，吸附效果最佳。298K下的平衡吸附量可達(dá)27.76m

6、g/g。NPCS對Cu2+的吸附量隨著溶液的初始濃度及溫度的增加而增大，吸附行為能較好的符合Langmuir等溫線模型和擬二級動力學(xué)模型。NPCS對Cu2+的吸附是吸熱的物理吸附。
　　本文的第四部分采用PAN微球與ZnCl2混合，經(jīng)預(yù)氧化、碳化及SiO2的刻蝕之后，制得高比表面積的氮摻雜多孔碳材料(NPC)。對NPC分別進(jìn)行了TEM、Raman、XPS、N2吸附等溫線及XRD等表征，研究了其吸附性能。結(jié)果表明，所制備的NPC氮含

7、量高，均具有豐富的介孔及高的比表面積和大的孔體積。在0℃，1atm條件下，NPC均具有較高的CO2和Cu2+吸附量。其中NPC-H450對CO2的吸附量最大，為3.40mmol/g;NPC-H450、NPC-H600和NPC-H700對Cu2+吸附24h后的吸附量分別為52.55、56.08和62.88mg/g。NPC-H700的吸附量最大可能因?yàn)楦叩牡俊?br>　　本文的第五部分以單分散的PAN微球?yàn)樵?，用四乙烯五?TEPA)

8、對其進(jìn)行改性，并對改性后的聚丙烯腈微球(APAN)進(jìn)行了表征，研究其吸附行為。結(jié)果表明，APAN微球的分散性良好，粒子大小均一，約為155nm。APAN對Cu2+有較高的吸附量，溶液的初始pH為6時，吸附效果最佳。298K下，未改性的PAN微球?qū)u2+的平衡吸附量非常有限，約為16.85mg/g;APAN的平衡吸附量可達(dá)110.25mg/g，增加了6.5倍。APAN對Cu2+的吸附量隨著溶液的初始濃度及溫度的增加而增大，吸附行為能較好