二维六方有序中孔炭材料的聚乙二醇诱导自组装法合成

摘要

二维六方有序中孔炭材料(Two-dimensional ordered mesoporous carbons，2-DOMCs)具有有序的隧道状孔道排列和高度均一的中孔尺寸等优点，在储能、吸附、分离和催化等领域具有广泛的应用前景，近十年来在材料科学界备受关注。目前，OMCs研究领域的一个重要学术热点是发展新制备方法。本论文科学地利用聚乙二醇可以增强甲阶酚醛树脂(碳源)和三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(软模板)的相互作用力，进而诱导两者自组装形成二维六方有序结构的原理，发展出了一种全新的OMCs制备方法——聚乙二醇诱导自组装法。随后，本文研究了此类新型OMCs的炭化机制和孔结构调控理论，以期建立完备的可控制备科学理论。现摘要如下：
　　 1.新方法的可行性
　　 XRD、TEM、氮气吸附法等表明，聚乙二醇诱导形成的二维六方结构形貌能够在炭化过程中得到有效的继承。随着炭化温度的升高，BET比表面积、微孔表面积和孔容均相应地增大，晶胞参数、有序中孔孔径和孔容则减小，而中孔表面积呈下降趋势。最终有序中孔炭的孔径为3.5 m，BET比表面积和总孔容为563 m2/g和0.29 cm3/g。
　　 2.炭化机理
　　 利用TG-IR联用仪对炭化过程中溢出气体进行探测，了解随温度升高而发生的主要变化，发现有序中孔酚醛树脂的高分子骨架上非碳元素在炭化过程中以小分子形式脱离，XPS表征结果显示骨架碳含量升高；根据FTIR及广角XRD表征，当达到一定温度时，碳原子发生重排促使类石墨微晶结构的成长。类石墨微晶结构形态与前驱体化学结构及炭化升温速率有关。同时，小角度XRD及氮气吸附测试中显示，炭骨架和中孔孔径会发生收缩。收缩程度与高分子骨架的交联度和升温速率有密切关系，适当的原料配比能赋予骨架较高的强度，降低收缩率，而较低的升温速率可避免孔涧的坍塌，维持高度有序的介观结构。
　　 3.孔结构调控
　　 OMC的孔结构可以通过反应物配比、催化剂浓度、模板剂含量、诱导剂分子量及含量等实验条件进行调控。反应物配比与催化剂浓度直接影响碳源的缩合反应速率，进而影响炭材料的有序度；模板剂是实现软模板法制备的关键，模板剂的添加量直接影响着炭材料的有序性；诱导剂同时具有诱导作用和热降解致微孔作用，通过使用不同分子量的诱导剂，调节其在反应体系中的含量，可以改变介观结构有序度和材料孔隙率。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1有序中孔炭材料

1.2有序中孔炭材料的制备方法

1.2.1 硬模板法

1.2.2软模板法

1.3 炭化过程

1.4有序中孔炭材料的性能及应用

1.4.1 能源领域

1.4.2催化载体

1.4.3吸附分离

1.4.4医疗应用

1.5 主要研究内容及立论依据

参考文献

第二章实验部分

2.1 实验药品

2.2表征手段

2.2.1 X射线粉末衍射

2.2.2氮气吸附—脱附测试

2.2.3透射电镜

2.2.4 XPS

2.2.5 FTIR

2.2.6 TG-IR联用分析

2.3 实验制备

2.3.1 聚乙二醇诱导自组装法可行性实验

2.3.2 P／F原料配比影响实验

2.3.3催化剂浓度影响

2.3.4炭化升温速率影响实验

2.3.5 聚乙二醇分子量影响实验

2.3.6聚乙二醇添加量影响实验

2.3.7软模板剂添加量影响实验

第三章聚乙二醇诱导自组装法制备二维六方有序中孔炭的可行性

引言

3.1 自组装体系的组成

3.2结构与形貌表征

3.2.1 小角度XRD表征

3.2.2透射电镜表征

3.2.3氮气吸附—脱附测试

3.3 本章小结

参考文献

第四章炭化机理研究

引言

4.1 PF-1／N的TG-IR联用分析

4.2炭化过程中的化学结构变化

4.2.1 FTIR表征

4.2.2 XPS表征

4.3 炭化过程中的孔结构变化

4.3.1 P／F原料摩尔配比的影响

4.3.2升温速率的影响

4.4炭化过程中微晶结构的变化

4.4.1 P／F原料摩尔配比的影响

4.4.2催化剂浓度影响

4.4.3升温速率的影响

4.5 本章小结

参考文献

第五章二维六方有序中孔炭材料的孔结构控制

引言

5.1 P／F原料摩尔配比与孔结构的关系

5.1.1小角度XRD表征

5.1.2氮气吸附—脱附测试

5.2催化剂浓度与孔结构的关系

5.2.1小角度XRD表征

5.2.2氮气吸附—脱附测试

5.3聚乙二醇分子量与孔结构的关系

5.3.1小角度XRD表征

5.3.2氮气吸附—脱附测试

5.4聚乙二醇添加量与孔结构的关系

5.4.1小角度XRD表征

5.4.2氮气吸附—脱附测试

5.5软模板剂添加量与孔结构的关系

5.5.1小角度XRD表征

5.5.2氮气吸附—脱附测试

5.6 本章小结

参考文献

第六章结论

致谢