單分散碳微粒的制備、表征及儲(chǔ)氫性能.pdf

1、由于化石燃料儲(chǔ)量的日益減少和化石燃料的使用帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題,人們迫切需要尋找一種新型可再生清潔能源滿足需求。氫具有熱值高,產(chǎn)物是水,無(wú)污染、可循環(huán)利用,不存在枯竭問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)。因此,氫能系統(tǒng)作為一種減少溫室氣體和其他有害物質(zhì)排放的手段,成為二十一世紀(jì)的綠色能源。然而氫的儲(chǔ)存成為限制氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。美國(guó)能源部(DOE)制定了儲(chǔ)氫媒介在室溫或接近室溫的條件下儲(chǔ)存-釋放氫氣的量達(dá)到6 wt％的首要目標(biāo)。碳基材料具有多微孔、比表面積大、表

2、面張力大、吸附勢(shì)能大等特點(diǎn),在吸附儲(chǔ)氫方面存在一定的潛力,成為物理儲(chǔ)氫材料研究的新熱點(diǎn)。目前,關(guān)于碳微球儲(chǔ)氫方面的研究較少。本論文通過(guò)一種全新的手段制備了微孔尺寸可調(diào)的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的單分散微孔碳微球,由于其優(yōu)化的微孔尺寸、高的比表面積、大的微孔容積表現(xiàn)出極好的儲(chǔ)氫性能。本文主要進(jìn)行了以下研究:
　　 (1)通過(guò)一種全新的方法,即改變碳源前軀體一超交聯(lián)聚苯乙烯微球(HCPSs)質(zhì)量密度的方法實(shí)現(xiàn)了碳微球微孔結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié),優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的碳

3、微球表現(xiàn)出極好的儲(chǔ)氫性能。首先通過(guò)無(wú)皂乳液聚合反應(yīng)合成了高交聯(lián)的核殼型苯乙烯.二乙烯苯共聚物(PS-DVB)微球,用CCl4溶解未交聯(lián)的PS核得到中空PS-DVB膠囊。其次,對(duì)實(shí)心PS-DVB微球或者中空PS-DVB膠囊進(jìn)行超交聯(lián)反應(yīng)制備不同質(zhì)量密度的HCPSs。最后不同質(zhì)量密度的HCPSs在700℃碳化制備了不同微孔結(jié)構(gòu)的碳微球。掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)結(jié)果表明,我們成功制備了單分散碳微球,而且這些微球內(nèi)部分布有大量微孔

4、和蠕蟲(chóng)狀孔道結(jié)構(gòu)。拉曼光譜和X射線衍射(XRD)表明這些碳微球是無(wú)定形碳相。高分辨TEM和氮?dú)馕?解吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)DVB用量不低于40wt％時(shí),通過(guò)HCPSs的質(zhì)量密度實(shí)現(xiàn)了碳微球的微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)。所制備的碳微球樣品具有高的比表面積(679 m2／g),較大的孔容積(0.74 cm3／g),和優(yōu)化微孔尺寸(0.51-0.85 nm)。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于碳微球的儲(chǔ)氫。值得注意的是,碳微球樣品在77 K和800 mmHg(1.0

5、6 bar)下測(cè)得的儲(chǔ)氫量為4.55 wt％,接近目前報(bào)道的多孔碳在類(lèi)似條件下(77 K,0.93 bar)最大儲(chǔ)氫量(2.4 wt％)的2倍。
　　 (2)通過(guò)一種新穎方法制備了單分散微孔碳半球,這種碳半球表現(xiàn)出極大的孔容積。首先通過(guò)CCl4刻蝕除掉核殼型PS-DVB微球未交聯(lián)的PS核來(lái)得到中空的PS-DVB膠囊,然后對(duì)中空PS-DVB膠囊進(jìn)行磺化并在其表面包覆一層SiO2,最后碳化并除去SiO2層后得到了中空碳半球。采用SE

6、M,TEM,XRD,拉曼光譜和氮?dú)馕浇馕降仁侄螌?duì)樣品進(jìn)行了表征。結(jié)果表明這些單分散的碳半球具有中空的單層殼結(jié)構(gòu),在這些碳半球的單層殼中分布有大量的微孔和蠕蟲(chóng)狀孔道結(jié)構(gòu)。這些碳半球具有高的比表面積(676 m2／g),極大的孔容積(2.63cm3／g),和大于單碳原子交聯(lián)劑(CCl4)碳微球的微孔尺寸(0.55-0.75 nm)。碳半球在77 K和800 mmHg(1.06 bar)下測(cè)得的儲(chǔ)氫量為1.62 wt％。本文提出了碳半球的