金属掺杂有序孔碳分子筛的制备与结构性能

摘要

碳分子筛(CMS)作为一种新型多孔吸附材料是由高含碳有机物经过高温热解炭化而制备得到的。与传统的分子筛相比,碳分子筛具有均匀、发达的孔隙结构,较高的气体渗透性和分离选择性以及良好的热稳定性和化学稳定性,在气体分离、催化、储能等方面展现出广阔的应用前景。　　本文主要研究以高聚物为碳前驱体,采用反相悬浮聚合法制备金属掺杂碳分子筛微粒,并探索两种不同的模板添加方法对碳分子筛孔隙发展和金属掺杂情况的影响:　　一、外模板法:通过浸渍法直接将有机单体、金属盐引入多孔性纳米SiO2的孔道中,聚合后经炭化、共还原及氢氟处理,可得到孔径均匀的金属掺杂碳分子筛。该方法对所制备的碳分子筛具有良好的结构可控性。　　二、内模板法:丙烯腈与有机硅烷的共聚物在酸性环境下进行水解,水解产物作为前驱体,经炭化后可制备出C-Si复合型碳分子筛。其中有机硅烷部分水解成SiO2作为模板,另一部分作为硅源被引入炭质基体中;丙烯腈中—CN水解成—COOH,与Ag+络合。该方法不仅有利于金属催化剂的均匀分散,还克服了部分前驱体包覆在模板表面,影响碳分子筛孔隙的发展。通过考察制备过程中各因素,如合成方法、炭化温度、升温速率等对碳分子筛性能的影响,探索碳分子筛制备的最佳工艺。利用热重分析(TG)、红外光谱分析(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对热解过程中前驱体化学结构的变化及炭化后产物的微观形貌进行了分析,并借助于N2吸附对碳分子筛孔隙发展情况进行了详细的表征和分析。结果表明:两种方法合成出的前驱体具有相似热分解过程,通过脱氢,脱氧,碳链重排和环化反应等逐渐形成无定形碳结构,而且可经过共还原同步制备出金属负载碳分子筛高分散微粒,能够实现对碳分子筛孔结构的控制。但两者所得产品的微结构和孔隙发展情况具有明显差异,内模板法能够有效的将Si引入分子筛中,制备出C-Si复合型碳分子筛,在气体分离方面具有优良的选择性和渗透性。较高的比表面积(1056cm3/g)和发达的微孔结构(0.45cm3/g,占总孔体积的70％)明显高于外模板法所制备的碳分子筛。

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引言

第一章 综述

1.1 多孔材料的发展概述

1.2 多孔材料的分类

1.3 碳分子筛的制备工艺

1.4 碳分子筛的表征

1.5 碳分子筛的应用

1.6 本文研究内容与意义

第二章 实验装置与方法

2.1 实验试剂及仪器

2.2 前驱体制备

2.3 炭化

2.4 碳分子筛评价方法

第三章 外模板法——Ni掺杂聚糠醇基碳分子筛的制备及结构分析

3.1 前驱体的合成

3.2 前驱体的热稳定性

3.3 前驱体的炭化、活化处理

3.4 炭化前后前驱体的结构变化

3.5 碳分子筛粒径分析

3.6 本章小结

第四章 内模板法——Ag掺杂复合型碳分子筛的制备及结构分析

4.1 前驱体的合成

4.2 前驱体的热稳定性

4.3 前驱体炭化过程

4.4 炭化过程中前驱体的结构变化

4.5 本章小结

第五章两种碳分子筛的吸附性能分析

5.1 外模板法制备碳分子筛的吸附性能

5.2 内模板法制备碳分子筛的吸附性能

5.3 两种碳分子筛气体吸附性能及孔结构的综合评价

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者介绍及研究生期间主要科研成果