PF气凝胶的制备与酚醛类气凝胶氢吸附性能研究

摘要

有机气凝胶及碳气凝胶是一种具有三维网络结构的多孔纳米非晶固态材料，在力学、声学、电学、热学以及光学等领域都有潜在的应用价值，而在民用储氢和惯性约束聚变(ICF)方面的应用研究备受关注。 本论文以间苯三酚和甲醛为前驱体，经溶胶-凝胶、溶剂交换、超临界干燥和碳化等工艺成功制备出了密度为90～500mg/cm<'3>的间苯三酚-甲醛气凝胶(PF)及碳气凝胶(CPF)。对气凝胶的结构进行TEM、IR、XRD、XPS、TG和N<,2>吸附等表征，分析了气凝胶的微观结构；考察了反应物质量分数、催化剂浓度、碳化过程对气凝胶孔结构的影响。结果表明，PF气凝胶是一种由亚甲基和亚甲基醚键交联起来的具有空间网络结构的多孔非晶固态材料，具有比较高的比表面积，孔直径主要以中孔为主，碳化并不会破坏气凝胶的网络结构，碳化后比表面积明显增大、孔直径减小、孔径分布更加均匀，CPF气凝胶具有类似于石墨的结构。 采用自动吸附仪测定气凝胶低压、低温氢吸附性能，初步分析了气凝胶氢吸附量与孔结构的关系。 采用自行设计的高压吸附设备测试了RF/CRF气凝胶粉末、RF/CRF气凝胶块体、PF/CPF气凝胶块体、HF/CHF气凝胶块体和RHF/CRHF复合气凝胶块体五个气凝胶体系在高压、液氮温度(77K)的储氢性能，CRF气凝胶粉末储氢量达39.73wt％；初步探索了气凝胶储氢量和吸附温度的关系，储氢量随着吸附温度的降低而增大；考察了气凝胶在有限次数内储氢性能的重复性，在有限的实验次数内吸附量没有明显的下降趋势。 本课题在改进前人实验的基础上制备出一系列气凝胶，然后测定其储氢性能。该课题最主要的创新点在于寻求气凝胶的应用，探索一种新型的、高效的、具有良好吸放氢性能的储氢手段，促进储氢材料的实际应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1前言

1.2气凝胶的研究进展

1.2.1概述

1.2.2气凝胶的类型

1.2.3气凝胶的性能及应用

1.2.4酚醛类有机气凝胶的形成机理

1.2.5有机气凝胶及碳气凝胶的制备方法

1.3储氢材料研究现状

1.3.1几种主要储氢手段

1.3.2储氢容量的测定方法

1.3.3储氢机理

1.4气凝胶储氢研究现状

1.5本课题的研究内容及创新点

2间苯三酚—甲醛气凝胶的制备与表征

2.1气凝胶的制备

2.1.1主要试剂与设备

2.1.2溶液配制

2.1.3溶胶—凝胶过程

2.1.4酸洗交联老化

2.1.5溶剂交换

2.1.6超临界干燥

2.1.7碳化

2.2气凝胶微观结构分析

2.2.1反应物质量分数的影响

2.2.2催化剂浓度的影响

2.2.3碳化的影响

2.3红外光谱分析

2.4 X-射线光电子能谱分析

2.5物相组成分析

2.6热重分析

2.7本章小结

3间苯三酚—甲醛气凝胶孔结构分析

3.1孔的分类

3.2吸附等温线及其分类

3.3孔结构分析方法

3.4孔结构分析实验

3.4.1方法概述

3.4.2实验设备及材料

3.4.3实验步骤

3.5结果讨论

3.5.1氮气吸附等温线

3.5.2制备条件对孔结构的影响

3.6本章小结

4酚醛类气凝胶低压氢吸附性能研究

4.1实验

4.2结果讨论

4.2.1气凝胶氢吸附等温线

4.2.2气凝胶碳化前后氢吸附量比较

4.2.3不同反应物质量分数气凝胶氢吸附量比较

4.2.4几个碳气凝胶体系氢吸附量比较

4.2.5超声波作用合成气凝胶的氢吸附

4.3本章小结

5酚醛类气凝胶高压氢吸附性能研究

5.1实验装置的建立

5.1.1吸附装置的设计

5.1.2装置的吸附测量原理

5.2计算方法的建立

5.2.1吸附室和储气室及管路体积标定

5.2.2气体吸附量的计算

5.3氢吸附量测量实验

5.3.1实验内容

5.3.2实验方案

5.4实验结果

5.4.1几个气凝胶体系在高压及77K下氢吸附性能

5.4.2氢脱附性能

5.4.3气凝胶氢吸附动力学研究

5.4.4气凝胶氢吸附重现性

5.4.5温度对氢吸附量的影响

5.5本章小结

结论

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果