氮掺杂多孔炭材料的制备及气体吸附性能研究

摘要

随着工业化进程的加快，工业污染成为全球面临的一大问题，气体污染是近年来愈发亟待解决的具有挑战性的问题，因此加快治理气体污染备受全球研究者的关注。多孔材料由于其独特的内部结构和优异的特性成为一种极具前景的吸附剂材料，其中，多孔炭材料由于其相对更高的比表面积、更低成本、对环境无害等优点，在众多领域引起重视，是一种具有发展潜力的吸附剂材料。　　本论文采用溶胶凝胶法利用有机小分子单体制备了新型有机聚合物凝胶前驱体，再对其进行物理或化学活化制备出了具有高比表面积和高度微孔结构的氮掺杂多孔炭材料，并将其应用于无机物及有机物的气体吸附。　　1)采用吡咯和甲醛作为原料，其中吡咯作为氮源，在HCl作催化剂条件下通过溶胶凝胶法发生聚合反应得到聚合物前驱体PF，再通过KOH活化或CO2活化制备出具有高比表面积(680-2340 m2g-1)、高氮原子掺杂量(相对原子含量2.9-11.4 %)、高度微孔结构的多孔炭材料(PF-KOH-T或PF-CO2-T，T代表活化温度)。所制备的氮掺杂多孔炭作为吸附剂在273 K和1.0 bar下显示出优异的CO2吸附能力(3.80-5.81 mmol g-1)并具有良好的吸脱附效果和循环稳定性，在298 K和1.0 bar条件下CO2吸附量为2.40-3.37 mmolg-1。对CO2的高吸附量可以归因于样品中高氮原子掺杂量与微孔提供的高比表面积之间的协同效应。另外考虑到实际应用，在298 K条件下进行了样品对N2的吸附测试，实验结果表明所制备的多孔炭材料具有良好的气体选择性(CO2/N2选择性为16.9-70.2)。　　2)采用吡咯和5’-磷酸吡哆醛为原料，吡咯作为氮源，通过溶胶凝胶法聚合得到聚合物前驱体PLPP，再通过一步CO2活化制备出氮掺杂多孔炭材料NPCM-T (T代表活化温度)。所得多孔炭比表面积范围为 1250-2520 m2 g-1，氮原子相对含量为2.6-4.9 %，含有大量的微孔结构。将所制备多孔炭材料用作吸附剂，其对多种挥发性有机化合物(VOCs)均具有良好的吸附作用，样品NPCM-950在298 K和1.0 bar条件下对甲苯、苯和甲醇的吸附量高达16、20、44mmol g-1(148、154、140wt %)，实验数据证明了优异的吸附量可以归因于所制备多孔炭材料的高比表面积和内部的微孔结构，该吸附量值是目前文献报道中比较高的吸附量。另外，对所制备的样品进行了不同温度下的CO2吸附性能测试，在273和298 K及1.0 bar条件下吸附量分别可达3.57和2.32mmol g-1，表明具有微孔结构和高比表面积的多孔炭材料在气体吸附方面具有广阔的应用前景。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 多孔炭材料简介及制备方法

1.2.1 碳化法

1.2.2 模板法

1.2.3 活化法

1.3 多孔炭的气体吸附应用研究现状

1.3.1 二氧化碳吸附

1.3.2 有机蒸汽吸附

1.4 课题研究内容及意义

第2章 实验材料与分析方法

2.1 实验药品与设备

2.2 材料的化学及结构表征方法

2.3 气体吸附性能测试及计算

2.3.1 二氧化碳吸附性能测试

2.3.2 有机蒸汽吸附性能测试

2.3.3 相关计算方法

第3章 甲醛-吡咯多孔炭材料的制备及其二氧化碳吸附性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 PF聚合物的制备

3.2.2 氮掺杂多孔炭的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 聚合物PF的制备与表征

3.3.2 多孔氮掺杂炭材料的制备与表征

3.3.3氮掺杂多孔炭材料的二氧化碳吸附性能

3.4 本章小结

第4章 磷酸吡哆醛-吡咯多孔炭材料的制备及其气体吸附性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 聚合物PLPP的制备

4.2.2 多孔炭材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 PLPP和NPCMs的结构表征

4.3.2 NPCMs的有机蒸汽吸附性能

4.3.3 NPCMs的二氧化碳吸附性能

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢