多孔碳材料的设计、制备及应用性能研究

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多孔碳材料有着广泛的用途,具有高比表面积的多孔碳材料的制备一直是人们关注的重要课题。本论文发展了多种不同碳源经煅烧制备碳材料的新方法,获得了具有高比表面积和功能化的多孔碳材料,主要研究内容和结果如下:  1.以葡萄糖、纤维素、木质素等生物质为碳源,以熔融盐(ZnCl2+KCl)为致孔剂,发展了一种梯度升温碳化生物质制备介孔碳材料的新方法,获得了一系列高介孔比表面积和孔体积比例的介孔碳材料,其比表面积可达1297 m2·g-1、孔体积达2.727 cm3·g-1、介孔孔体积比例(Vmeso/Vtotal%)达92.2%。考察了不同因素对材料结构的影响和介孔形成机制,探索了所得材料的应用。结果表明,所得介孔碳材料是一种优良的催化剂载体,所负载的Pd纳米颗粒均匀分布在碳材料上,尺寸在1.2 nm左右,对苯乙烯加氢显示了很高的催化活性。  2.以葡萄糖(G)等生物质为碳源、三聚氰胺(MA)为氮源,以熔融盐(ZnCl2+KCl)为致孔剂,发展了制备介孔氮掺杂碳材料(NDCs)的方法,获得高含氮量、高比表面积的NDCs。考察了温度、三聚氰胺与碳源的比例对所制备NDCs结构和性能的影响,获得一系列NDCs材料。在MA/G比例为1.5∶1、800℃条件下,所得NDCs中氮元素含量为11.4%,比表面积为1800m2·g-1。研究了所制备NDCs材料对乙苯氧化和芳烃与碘苯C-C偶联的催化性能。结果表明,在叔丁基过氧化氢(TBHP)存在时,NDCs可在温和条件下(80℃)高效催化乙苯氧化生成苯乙酮,并且具有良好的底物普适性。在叔丁醇钾(KOtBu)存在下,NDCs可有效催化碘苯与苯偶联生成联苯反应。其中,400℃时所制备的NDCs材料具有最好的催化活性,在120℃条件下反应24 h,碘苯转化率可达96%,联苯产率>95%。探索了催化机制,结果表明NDCs材料中氧元素和氮元素协同作用高效催化了该反应。此外,NDCs能够用作贵金属(Pd,Pt,Ru,Rh)催化剂的载体,使金属颗粒均匀分散,并且颗粒尺寸小于1.5 nm,显示了良好的应用前景。  3.发展了以含氮有机聚合物为前体、通过高温碳化制备孔径均一的微孔氮掺杂碳材料的方法。首先,通过三聚氰胺和1,3,5-三(4-硝基苯基)苯(TNPB)的聚合反应,获得有机聚合物;然后,将聚合物经高温碳化,得到微孔氮掺杂碳材料。通过调节合成聚合物前体中三聚氰胺和TNPB比例,得到了孔径分别为0.72 nm和1.06 nm的微孔氮掺杂碳材料,并对孔形成的机理进行了推测。所制备微孔碳材料具有良好的CO2吸附能力(190.6 mg·g-1,273 K)和较高的CO2/N2选择性(46-64,273 K;58-75,298 K)。同时,对H2的吸附能力可达14.7 mg·g-1。
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