含氮多孔碳材料的合成、表征及其应用研究

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多孔碳材料具有发达的孔道结构,高比表面积以及良好的分子扩散速率,广泛应用在电池、储能、吸附、催化等领域。由于碳材料在引入氮后,可以形成局部富电子区域,改变材料表面酸、碱性质,增强抗氧化性和吸附酸性气体的能力,这使得含氮多孔碳材料在吸附剂、电极材料、电容器、催化剂/催化剂载体等领域的应用得到拓展。因此制备高含氮量的多孔碳材料具有重要研究意义。本论文采用CaCl2和KCl作为模板剂合成具有介孔结构的含氮碳材料,并探究其在双氧水分解和空气氧化双甘膦制备草甘膦中的应用。  以三聚氰胺和甲醛作为氮源和碳源,以CaCl2作为模板剂制备含氮多孔碳材料(CaNMC),利用N2吸附/脱附、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和傅里叶红外变换光谱(FT-IR)等表征手段对碳材料进行表征。结果表明不同碳化温度(700℃,800℃,900℃)下合成的CaNMC表面氮含量为3.85~10.80 at.%,比表面积为570~870 m2/g,介孔孔径主要集中在4 nm或10 nm。碳化温度对介孔碳的孔结构、石墨化程度、含氮及含氧官能团的分布有重要影响。  以KCl作为模板剂三聚氰胺和甲醛作为氮源和碳源,采用水热合成法制备了含氮多孔碳材料(KNMC)。研究表明KNMC的比表面积、介孔比例、石墨化程度和表面碱性都随碳化温度的升高而逐渐升高,而氮氧元素的含量逐渐降低。与CaNMC的表征结果进行对比,可发现KNMC在碳化温度为800℃具有更高的含氮量(9.44%),但比表面积、介孔比例和表面碱性都会低于CaNMC。  将所制备的CaNMC和KNMC分别用于双氧水分解和双甘膦催化氧化实验,并将两者的评价结果进行对比。实验结果表明,含氮官能团的含量类型、石墨化程度以及孔道的发达程度可以显著影响材料的催化性能。碳化温度越高,NMC的双氧水分解和双甘膦氧化活性越高。CaNMC在双甘膦氧化制备草甘膦反应中具有较好的活性和稳定性。
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