發(fā)布時間：2017-10-06 18:38

  本文關(guān)鍵詞：含氮型超交聯(lián)微孔聚合物的制備及其氣體吸附性能研究

  更多相關(guān)文章： 氣體吸附 二氧化碳俘獲 超交聯(lián)微孔聚合物 碳材料

【摘要】：化石燃料燃燒所排放的大量二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)致了全球氣候變化以及一些環(huán)境問題。由于化石燃料的需求仍然會持續(xù)增長,因此捕獲與分離二氧化碳對于解決這些問題是必不可少的。通過多孔固體吸附劑進行物理吸附被認(rèn)為是一種非常有潛力的捕獲二氧化碳的方法。相比于其他二氧化碳捕獲技術(shù),比如需要大量能量才能再次循環(huán)利用的液氨吸收技術(shù),利用多孔固體吸附劑吸收二氧化碳為節(jié)能降耗提供了可能。有機微孔聚合物(MOPs)是一種新型的多孔材料,具有骨架密度低、比表面積高、孔徑分布范圍窄以及化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點,在捕獲二氧化碳上顯示出很大的潛力。各種各樣的有機微孔聚合物(MOPs)已被合成出來用于吸收二氧化碳,包括共價有機網(wǎng)絡(luò)(COFs),自具微孔聚合物(PIMs),共軛微孔聚合物(CMPs),超交聯(lián)聚合物(HCPs),多孔芳香骨架(PAFs)以及共價三嗪網(wǎng)絡(luò)(CTFs)。大部分MOPs是由貴金屬催化的聚合反應(yīng)合成,相比之下,HCPs可以通過三氯化鐵催化F-C烷基化反應(yīng)而制備,避免了貴金屬的使用。最近研究表明,向有機微孔聚合物骨架中引入富電子的雜原子可以提高聚合物與二氧化碳分子之間的親和力,進而提高二氧化碳吸附能力�；诖�,我們合成了一系列含氮原子的超交聯(lián)聚合物和碳材料,以期提高聚合物的二氧化碳吸附能力：1.我們首先利用Buchwald-Hartwing偶聯(lián)反應(yīng)設(shè)計合成了三苯胺結(jié)構(gòu)的單體,然后用二甲氧基甲烷作外加交聯(lián)劑,無水三氯化鐵作催化劑,通過傅-克烷基化反應(yīng)一步制備出含三苯胺的超交聯(lián)聚合物HTDTPP。此方法不僅操作方便簡單而且反應(yīng)條件溫和。此外,不必使用特殊的含有可聚合官能團的單體,催化劑也是廉價易得,降低了反應(yīng)成本。所得微孔聚合物具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì),比表面積達1064 m2/g,氫氣和二氧化碳吸附量分別為1.50 wt%和2.56 mmol/g (273 K/1.13 bar),表明HTDTPP擁有良好的氣體吸附性能。此外還研究了它的氣體選擇吸附性能,在273 K/1.13 bar時,聚合物HTDTPP的CO2/CH4和CO2/N2的選擇吸附分別為5.0和33.2。由于聚合物有較高的比表面積、良好的二氧化碳?xì)怏w吸附性能以及使用便宜的溶劑和催化劑,因此在二氧化碳存儲和分離領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛能。2.設(shè)計合成了兩個含有芘的單體,依然選用二甲氧基甲烷作交聯(lián)劑,無水三氯化鐵催化F-C烷基化反應(yīng),合成了兩個含有芘結(jié)構(gòu)和氮原子的超交聯(lián)聚合物,并對其孔性質(zhì)和氣體吸附性能進行了探究。通過對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),擁有較高微孔比表面積和微孔體積的聚合物HTPAPy的氣體吸附量也更高,在273 K/1.13 bar時,氫氣與二氧化碳?xì)怏w吸附量分別為1.47 wt%和3.22 mmol/g。這是因為微孔更有利于聚合物對氫氣和二氧化碳的吸附,而且聚合物HTPAPy的含氮量也稍高于HDCZPy,對提高二氧化碳吸附也有一定的貢獻。所得聚合物在氣體吸附領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛能,但是超交聯(lián)聚合物合成時孔尺寸難以有效調(diào)控,因此今后努力的方向便是實現(xiàn)對其孔徑分布的有效調(diào)控。3.為了進一步提高聚合物的吸附性能,我們首先制備出含氮聚合物前驅(qū)體HTPACz,隨后將其與氫氧化鉀混合進行活化,分別在不同溫度下直接碳化后得到一系列多微孔碳材料。這些碳材料具有很多優(yōu)點,比如對水穩(wěn)定、高的熱穩(wěn)定性和物理化學(xué)穩(wěn)定性、易于合成、孔尺寸可調(diào)、高的比表面積和孔體積等,最重要的是成本低。所得碳材料HTPACz-K-700的氫氣和甲烷吸附量最高,分別為2.94wt%和2.24 mmol/g,比表面積高達3363 m2/g。HTPACz-K-500的二氧化碳吸附量最高為6.6 mmol/g (273 K/1.13 bar).此外,這些碳材料具有良好的選擇吸附性能,使其成為有潛力的分離二氧化碳的材料。在制備碳材料的過程中,氫氧化鉀一方面起著模板作用,阻止碳化時孔坍塌,一方面會促使新的孔產(chǎn)生。
【關(guān)鍵詞】：氣體吸附 二氧化碳俘獲 超交聯(lián)微孔聚合物 碳材料
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O631
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 有機微孔聚合物的研究進展10-19
• 1.1.1 自聚微孔聚合物11-12
• 1.1.2 超交聯(lián)微孔聚合物12-15
• 1.1.3 共軛微孔聚合物15-17
• 1.1.4 共價有機網(wǎng)絡(luò)17-19
• 1.2 有機微孔聚合物的應(yīng)用19-22
• 1.2.1 氣體分離及存儲領(lǐng)域的應(yīng)用20
• 1.2.2 光電領(lǐng)域的應(yīng)用20-21
• 1.2.3 催化領(lǐng)域的應(yīng)用21-22
• 1.3 論文研究目的及主要內(nèi)容22-24
• 第2章 三苯胺結(jié)構(gòu)HCPS的合成及氣體吸附性能研究24-36
• 2.1 引言24-25
• 2.2 實驗部分25-27
• 2.2.1 實驗原料25
• 2.2.2 三苯胺結(jié)構(gòu)單體及HCPs的合成25-26
• 2.2.3 聚合物的性能表征26-27
• 2.3 結(jié)果與討論27-33
• 2.3.1 聚合物的形貌結(jié)構(gòu)表征27-30
• 2.3.2 聚合物的氣體吸附性能表征30-33
• 2.4 本章小結(jié)33-36
• 第3章 含芘的HCPS合成及性能研究36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 實驗部分36-39
• 3.2.1 實驗原料36-37
• 3.2.2 含芘的單體及HCPs的合成37-39
• 3.2.3 聚合物性能表征39
• 3.3 結(jié)果與討論39-46
• 3.3.1 聚合物的形貌結(jié)構(gòu)表征39-41
• 3.3.2 聚合物的氣體吸附性能表征41-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第4章 基于咔唑結(jié)構(gòu)HCPS的微孔碳材料合成及性能研究48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 實驗部分49-51
• 4.2.1 實驗原料49
• 4.2.2 含咔唑基的HCPs及其碳材料的合成49-51
• 4.2.3 聚合物性能表征51
• 4.3 結(jié)果與討論51-59
• 4.3.1 前驅(qū)體和碳材料的形貌結(jié)構(gòu)表征51-54
• 4.3.2 前驅(qū)體和碳材料的氣體吸附性能表征54-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 結(jié)論60-62
• 參考文獻62-72
• 致謝72-74
• 攻讀碩士學(xué)位期間科研成果74

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