多孔炭的制备、改性及其CO2吸附性能

摘要

近年来，由于温室效应的加剧和CO2资源化利用的重视，CO2的富集分离已成为当前环境与能源领域的研究热点。与其他技术相比，变压吸附具有经济、高效等优点，已受到广泛应用，并且高效吸附剂的设计和制备是变压吸附技术的核心，因此高性能多孔CO2吸附材料已引起研究者越来越多的关注。在众多吸附材料中，多孔炭材料具有高比表面积、CO2吸附量高、再生能量低、循环性能好和耐水汽等优点，在CO2吸附领域具有先天优势。因此，具有特定结构多孔炭材料的研究对CO2吸附具有重要意义。本文围绕着多孔炭吸附材料的制备，通过改变合成条件实现对其孔结构和表面化学性质的调控，然后应用于CO2吸附领域，在此基础上，初步研究了多孔炭材料孔结构和表面化学性质与CO2吸附性能之间的内在规律。具体研究内容和结果如下：
　　(1)在不考虑表面化学性质对材料CO2吸附性能影响的情况下，本章采用玉米残渣作为炭前驱体，碳酸钾作为活化剂，制备出高微孔率多孔炭材料，样品微孔率高达81.6%。研究表明，在比表面积相接近情况下，微孔体积对低压条件下CO2的吸附起着更为重要的作用。样品CR-700-1.5的微孔率最高，CO2吸附量也最高，1bar条件下，298K下是4.48mmol g-1，273K下是6.92mmol g-1。
　　(2)通过研究活化条件对玉米残渣基多孔炭孔结构的影响，初步发现K2CO3活化成孔机理可能有两点：(a)由碳热还原反应导致的表面刻蚀；(b)一定温度活化中，K2CO3分解产生CO2导致孔隙形成和扩大。由K2CO3分解产生CO2形成的孔会有利于CO2分子的吸附。不同活化条件所制备的玉米残渣基多孔炭孔径分布曲线具有相似性，孔径主要集中在0.58nm，这可以用“分子印迹”理论来解释。
　　(3)综合考虑孔结构和表面化学性质对材料CO2吸附性能的影响。基于金属离子和咪唑配位的化学思想，采用六水合硝酸锌作为金属离子源，2-甲基咪唑作为配体，制备出富氮多孔炭材料。研究表明，室温通风干燥合成出的ZIF-8分散性最好。对多孔炭而言，当炭化温度达到一定值后，温度的改变不会对材料的孔结构产生较大影响，而且随炭化温度的升高，样品中的含氮官能团减少，最终炭化温度的升高会导致材料CO2吸附量的降低；水蒸气活化会使材料的比表面积和孔体积降低，K2CO3活化会使材料孔径分布变宽，炭化-K2CO3活化会使材料孔径变大，而且活化会导致N元素损失严重。最终三种活化方式均会导致材料CO2吸附量的降低。在298K和1bar条件下，ZIF-8-700DC的CO2吸附量最高，为4.04mmol g-1。

目录

引言

1 文献综述

1.1 CO2吸附研究背景

1.2 多孔炭CO2吸附材料研究进展

1.3 高性能多孔炭CO2吸附材料制备方法

1.4 本论文选题依据和研究内容

2 实验总述

2.1 试剂和仪器

2.2 表征方法

2.3 CO2吸附测试

3 玉米残渣基多孔炭的制备及其CO2吸附性能的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果讨论

3.4 本章小结

4 ZIF-8基多孔炭的制备及其CO2吸附性能的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢