浓乳液模板法制备多级孔材料及其作为二氧化碳吸附材料的研究

摘要

二氧化碳(CO2)的吸附捕集是一种解决温室气体大量排放导致全球气候变暖的有效方案，具有高比表面积的多孔材料被认为是一种非常具有潜力的CO2吸附材料。本论文以浓乳液聚合体系为模板制备的具有通孔结构的聚合物大孔材料为基体，通过不同路线在其孔壁（骨架）中进一步引入了微孔或介孔结构，得到了具有高比表面积的多级孔材料。将其用作二氧化碳吸附材料，表现出了良好的吸附性能，并对材料吸附二氧化碳的机理进行了探讨和研究，得到了微观孔结构与基团化学结构对二氧化碳吸附容量的影响规律。具体的研究内容如下: 第一、论文选择水和二甲基亚砜(DMSO)作为浓乳液体系中连续相的混合溶剂，通过调整混合溶剂的组成与聚合物的固化速度，利用聚合诱导相分离方法，采用一步法制备了具有多级孔结构的密胺树脂(PFM)。研究了固化温度、连续相中混合溶剂的组成（DMSO与水的质量比）、以及甲醛与三聚氰胺比例对PFM的大孔形貌、比表面积和孔体积的影响。制备的PFM最高比表面积可达210.0m2/g，氮元素含量接近40wt％。进一步从溶剂和聚合物的热力学相容性的角度分析了PFM内微介孔结构的形成机理。作为CO2吸附材料时在273K和1bar的条件下的吸附量可达48.2mg/g。 第二、以浓乳液模板法制备的聚苯乙烯泡沫作为基体，采用三聚氯氰作为超交联反应的外交联剂，通过Friedel-Crafts反应制备了同时具有微孔和大孔结构的含氮多级孔聚合物(NHPP)。采用电子显微镜和BET方法分别表征了多孔聚合物的大孔和微孔结构，研究了浓乳液的分散相体积分数、聚苯乙烯中的内交联剂二乙烯基苯的比例、外交联剂三聚氯氰的用量以及溶胀剂二氯甲烷的用量对NHPP大孔形貌、比表面积和孔体积的影响，实现了对NHPP的大孔形貌和微孔结构的调控。所制备的NHPP富含氮元素，并且比表面积最高可达1228m2/g。用作CO2吸附材料时在298K和1bar的条件下吸附容量最高为88.2mg/g，且具有良好的再生性能。同时，论文深入分析了NHPP的微孔体积、比表面积、总孔体积、以及氮含量与CO2吸附能力的线性关系，发现NHPP的CO2吸附能力与材料的微孔体积有明显的线性关系，而氮元素含量在一定程度上也与NHPP吸附CO2的能力有一定线性关系。 第三、以浓乳液模板制备的大孔酚醛树脂为前驱体，采用热解（部分碳化）的方法制备了同时具有微孔和大孔结构的，表面富含氧元素的多级孔碳材料。研究了碳化温度、浓乳液的分散相体积分数以及浓乳液中连续相单体浓度对多级孔碳材料的大孔形貌、比表面积和孔体积的影响。制备的多级孔碳材料最高的比表面积可达到2046m2/g，孔体积可达1.034cm3/g。作为CO2吸附材料，在273K和1bar的条件下CO2吸附量最高可达271mg/g;比较制备的碳材料的CO2吸附速率，认为大孔结构有助于实现碳材料对CO2的快速吸附。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章绪论

1．1．2理想的CO2吸附材料的标准

1．1．3 CO2吸附材料的开发现状

1．2多孔聚合物

1．2．1模板法制备多孔聚合物

1．2．2直接合成法制备多孔聚合物

1．2．3多孔聚合物的应用

1．3多级孔材料

1．3．1多级孔聚合物的制备及应用

1．3．2以聚合物为前驱体的多级孔碳材料的制备和应用

1．4浓乳液模板制备多孔材料

1．4．1浓乳液模板简介

1．4．2调节浓乳液模板制备的聚合物中的孔尺寸的因素

1．5本论文的研究内容

1．6主要创新点

第二章实验部分及表征方法

2．1实验试剂与仪器

2．2样品的制备

2．2．1多孔密胺树脂(PFM)的制备

2．2．2含氮超交联多级孔聚合物(NHPP)的制备

2．2．3多级孔碳材料的制备

2．3测试与表征

第三章具有多级孔结构的密胺树脂的制备及其CO2吸附性能的研究

3．1引言

3．2结果与讨论

3．2．1 PFM的化学结构

3．2．2 PFM的孔形貌和比表面积

3．2．3固化温度对PFM的大孔形貌影响

3．2．4 DMSO与水的比例对PFM的影响

3．2．5甲醛与三聚氰胺摩尔比对PFM的影响

3．2．6相分离在PFM中形成微介孔的原理研究

3．2．7 PFM的CO2吸附能力测试

3．3本章小结

第四章含氮多级孔聚合物的制备及其CO2吸附性能的研究

4．1引言

4．2结果与讨论

4．2．1 NHPP的化学结构

4．2．2聚苯乙烯以及NHPP的孔结构

4．2．3 NHPP的热稳定性

4．2．4浓乳液的组成对NHPP的影响

4．2．5超交联过程中外交联剂及溶剂用量对NHPP的影响

4．2．6 NHPP的CO2吸附能力与其孔结构及氮含量的关系

4．2．7 NHPP的CO2的吸附热、CO2／N2选择吸附能力以及再生性能的研究

4．2．8三嗪环结构吸附CO2的机理探讨

4．3本章小结

第五章浓乳液制备多级孔碳材料及CO2吸附性能的研究

5．1引言

5．2结果与讨论

5．2．1制备的多级孔碳材料的结构表征

5．2．2碳化温度对制备的多孔碳材料的影响

5．2．3浓乳液分散相体积分数对多级孔碳材料的影响

5．2．4乳液连续相中的单体浓度对多级孔碳材料的影响

5．2．5多级孔碳材料的CO2吸附能力测试

5．3本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介

附录