氮掺杂有序介孔碳材料的软模板合成及其电化学性能研究

摘要

有序介孔碳材料（OMCS）具有规整、丰富的孔结构、较高的比表面积、可调的孔径尺寸以及良好的导电性，在能量储存/转化系统中有广阔的应用前景。近年来，研究者们发现在碳材料中掺入杂原子（如硼、氮、硫和磷等）可以改变材料表面电荷分布，增加碳基体的电子密度，进而实现了在多个应用上的性能突破。例如，当多孔碳作为超级电容器电极材料时，氮掺杂能够赋予材料除双电层电容外额外的赝电容性能，同时改善材料的导电性和对电解液的浸润性，从而大幅提升多孔碳电极材料的能量密度和功率密度。目前合成氮掺杂有序介孔碳主要采用传统的硬模板法、非水相溶剂挥发诱导自组装法以及后处理改性等方法。这些方法共同缺点是过程复杂繁琐且制备成本较高，不适于规模化生产和工业化应用。本工作主要针对以上方法的不足，发展了在水溶液介质和无溶剂条件下通过有机-有机自组装大量合成氮掺杂有序介孔碳的新方法。具体工作如下： 1.发展了以碱性氨基酸作为聚合催化剂和氮源，在水溶液介质中自组装合成高度有序的氮掺杂介孔碳材料的方法。该方法不仅适于氮掺杂有序介孔碳材料的大量合成，同时还能在保持产物介孔结构高度有序的前提下实现产物组成、结构和形貌的有效调控。例如，通过使用两种酚（间苯二酚和3-氨基酚）作为碳源前驱体，产物的氮含量可在1 wt%至~6 wt%之间调控；通过使用两种嵌段共聚物（Pluronic F127或P123）作为模板剂，产物介观对称性可以是体心立方（Im3?m）和二维六方（p6m）；通过使用两种氨基酸（L-精氨酸或L-赖氨酸），产物粒径可从微米级调变至纳米级。典型介孔碳产物的比表面积为~600 m2 g?1，孔径为2.4~5.4 nm。经KOH活化可使其比表面积增大约3倍，同时不引起介观有序性和氮含量的显著变化。当作为超级电容器电极材料时，该材料表现出良好的容量和倍率性能。以离子液体作为电解液，活性物质负载量为~3 mg cm-2，电流密度为0.25 A g-1时，其比电容为186 F g-1；电流密度增大至20 A g-1时，其容量保持率可达75%。而且，即使当负载量增至~12 mg cm-2时，其比电容仍可达126 F g-1（20 A g-1）。 2.发展了以3-氨基苯酚和对苯二甲醛为前驱体，利用无溶剂自组装法一步制备具有高热稳性的、高度有序的氮掺杂介孔碳的方法。本工作的研究主要体现在3个方面： （1）直接采用3-氨基苯酚作为碳源和氮源，利用无溶剂体系制备氮掺杂有序介孔碳材料； （2）通过深入理解无溶剂体系中酚/醛聚合机制，调整前驱体（3-氨基苯酚与对苯二甲醛）配比从而改变聚合方式，获得了具有高温热稳性的有序介孔碳产物； （3）通过使用不同亲疏水特性的嵌段共聚物模板剂（Pluronic F127和F108）可以得到二维六方（p6m）和体心立方（Im3?m）两种对称性的介孔碳产物。这种无溶剂法“三废”排放少，是一种大量合成氮掺杂有序碳材料的绿色方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2有序介孔材料合成机理

1.3有序介孔碳的合成方法

1.3.1硬模板法

1.3.2软模板法

1.4多孔碳的掺杂

1.4.1氮掺杂

1.4.2硼掺杂

1.4.3硼氮双掺杂

1.5论文选题

第二章 碱性氨基酸催化氮掺杂有序介孔碳的可控水相合成及其电容性能研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1化学试剂

2.2.2材料合成

2.2.3材料表征

2.3.4电化学测试

2.3结果与讨论

2.3.1结构与形貌

2.3.2氨基酸对合成的作用及影响

2.3.3形貌、组分及结构的调控

2.3.4介孔碳的活化

2.3.5电化学性能

2.4本章小结

第三章 无溶剂法合成高热稳定的有序含氮介孔碳及其电容性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1化学试剂

3.2.2材料合成

3.2.3材料表征

3.2.4电化学测试

3.3结果与讨论

3.3.1 NOMCS的合成

3.3.2产物热稳定性

3.3.3结构调控

3.3.4 NOMCS的活化

3.3.5电化学性能

3.4本章小结

第四章 总结

4.1结论

4.2思考与展望

致谢

参考文献

硕士期间已发表的研究论文