摻氮介孔碳材料的制備及其吸附性能研究.pdf

1、介孔碳材料因具有高比表面積和孔體積、可調(diào)節(jié)的孔道結(jié)構(gòu)和孔徑大小均一等優(yōu)點(diǎn)，在染料和重金屬離子的吸附方面表現(xiàn)出良好性能。介孔碳材料的疏水性和缺乏活性位點(diǎn)，限制其吸附應(yīng)用，而氮元素?fù)诫s的介孔碳材料可改善其表面缺陷，提高吸附性能。本論文以兩種苯并噁嗪為前驅(qū)體和兩種介孔 SiO2為硬模板制備了兩種不同含氮量和結(jié)構(gòu)的含氮介孔碳材料，研究了其對(duì)甲基橙染料和重金屬離子Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的吸附性能。
　　以離子液體[C

2、12mim]Br為模板劑，以水和乙醇作為共溶劑，TEOS為前驅(qū)體，在堿性條件下制備了介孔 SiO2球。用掃描電鏡和N2吸附/脫附為表征手段，考察了乙醇/水體積比、氨水濃度和[C12mim]Br的濃度對(duì)樣品形貌和結(jié)構(gòu)的影響，獲得粒徑大小可調(diào)（350 nm-667 nm）、孔徑大小分布窄（2.0 nm）、高比表面積（312-1016 m2/g）的有序介孔SiO2。分別以離子液體[C8mim]Br、[C16mim]Br、[C18mim]Br為

3、模板劑制備孔道結(jié)構(gòu)相似、孔徑尺寸增大的有序介孔SiO2材料。根據(jù)擬合成介孔碳材料的應(yīng)用，分別選用介孔SiO2-16和SiO2-12合成不同含氮介孔碳用于甲基橙吸附和重金屬離子吸附。
　　以制備的介孔SiO2-16為硬模板，分別以苯并噁嗪BOZ-DETA和酚醛樹脂為前驅(qū)體，用液相浸漬制備摻氮介孔碳球NMCS-DETA和介孔碳球MCS。采用掃描電鏡、透射電鏡、N2吸附/脫附、XRD、元素分析、能譜和紅外對(duì)其進(jìn)行表征，結(jié)果表明NMCS-

4、DETA和MCS均為具有蠕蟲狀孔道的球形納米顆粒，粒徑分別為244 nm和345 nm；最可幾孔徑分別為3.5 nm和3.7 nm，比表面積分別為789 m2/g和953 m2/g，孔容為分別0.49 cm3/g和0.66 cm3/g，NMCS-DETA的氮含量為3.50％（wt），N元素分布均勻，主要存在形式為C-N和C=N。以實(shí)驗(yàn)制得的兩種材料用于甲基橙（MO）染料吸附，NMCS-DETA和MCS對(duì)MO的最大吸附量分別為352.1

5、mg/g和251.9 mg/g。NMCS-DETA對(duì)MO的等溫吸附數(shù)據(jù)符合Langmuir吸附模型。吸附熱力學(xué)結(jié)果表明，吸附過程是一個(gè)自發(fā)、吸熱、熵增和熵驅(qū)動(dòng)的過程。吸附動(dòng)力學(xué)研究表明吸附行為符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附過程由外擴(kuò)散與內(nèi)擴(kuò)散協(xié)同控制。由循環(huán)吸附脫附研究表明，經(jīng)過四次循環(huán)后吸附容量仍可達(dá)到原材料的89.04％，NMCS-DETA呈現(xiàn)良好的循環(huán)再生能力。吸附前后紅外結(jié)果表明，吸附劑通過π=π鍵和靜電引力與MO分子作用。

6、　　以制備的介孔SiO2-12為硬模板，以苯并噁嗪BOZ-PEA為含氮碳源，采用硬模板法合成摻氮介孔碳球NMCS-PEA。采用掃描電鏡、N2吸附/脫附、XRD、元素分析和紅外對(duì)樣品進(jìn)行表征，結(jié)果表明樣品為球形，比表面積為845 m2/g，粒徑大小為470 nm，最可幾孔徑為2.06 nm，孔容為0.40 cm3/g，氮含量為2.32%（wt），存在形式為C-N和N-H。以NMCS-PEA為吸附劑，對(duì)水中金屬離子Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、C

7、d(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)進(jìn)行靜態(tài)吸附研究，結(jié)果表明：NMCS-PEA對(duì)離子Pb(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)吸附行為符合Langmuir等溫吸附模型，對(duì)離子Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)吸附行為符合 Freundlich等溫吸附模型，Pb(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的擬合最大吸附量分別為217.7 mg/g、82.2 mg/g、525.7 mg/g和185.2 mg/g。熱力學(xué)研究結(jié)果表明：NMCS-PEA對(duì)離子Pb(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)