本文關鍵詞：有機胺誘導合成富氮碳微球及其應用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：多孔炭材料由于具有發(fā)達的孔結構、優(yōu)異的導電性、良好的化學穩(wěn)定性和生物相容性,在吸附分離、催化、電化學等領域具有重要的應用前景。其中,形貌可控的多孔碳微球近年來受到了廣泛關注,然而,對于微球形成反應機理的研究仍存在空白。本文以不同結構的有機胺為氮源,間苯二酚、甲醛為碳源,在常溫常壓下通過水相反應合成具有單分散性、可控形貌的富氮聚合物微球,并以不同分子量的聚乙烯亞胺為研究對象,研究了該聚合過程的反應機理。制備所得聚合物再經高溫碳化得到孔隙豐富的含氮碳微球,同時,考察了這些碳微球在CO2吸附及超級電容器方面的應用,主要研究結果如下：(1)本文提出的有機胺誘導間苯二酚-甲醛聚合是一種簡單且通用的合成富氮聚合物的方法。無論所選有機胺(乙二胺、二乙烯三胺、四乙烯五胺、哌嗪、聚乙烯亞胺)的結構是直鏈、支鏈還是環(huán)狀鏈,都可在常溫常壓下與間苯二酚-甲醛經聚合反應生成高含氮量、具有球形形貌的聚合物。再經600℃高溫碳化后,可以得到比表面積為400-600m2/g、含氮量為6-9 wt.%的微孔碳微球。所制備的碳微球具有較高的CO2吸附量,在0℃時,吸附量可以達到3.5-4 mmol/g,且具有穩(wěn)定的吸脫附循環(huán)性能。系統考察了碳化溫度、反應溫度、濃度、PEI/R摩爾比都對材料形貌以及結構的影響,最終選取反應溫度30℃、濃度3wt.%、PEI/R=1.5、碳化溫度為600℃為最佳合成工藝。(2)以不同分子量的聚乙烯亞胺為研究對象,采用動態(tài)光散射法測量聚合物水和粒徑在反應初期隨著時間的變化,并推測了該聚合過程的反應機理。PEI-R-F自組裝生成聚合物,經歷成核及生長兩個過程,隨著PEI分子量的增加,最終所得聚合物的粒徑減小。動態(tài)光散射結果顯示在聚合初始過程中,聚合物水和粒徑隨著時間為先減小再變大,這是由于此過程有兩部分反應同時進行：一、聚合物內部物質進一步聚合交聯,使得體積收縮；二、溶液中游離的小分子在表面繼續(xù)聚合使得聚合物粒徑變大。制備得到的含氮聚合物均表現為核殼結構,其中,N原子主要集中在聚合物內部。聚合過程的反應機理通過TEM、XPS、EA等表征方法得以驗證。(3)為進一步豐富碳微球的空隙結構,對碳微球進行了KOH活化處理,得到一系列高比表面積、高球形度的活化碳微球。研究發(fā)現,隨著KOH/C質量比的增加,活化得到的碳微球比表面積及孔容都增加明顯,當質量比KOH/C=3時,活化碳微球的比表面積可達1980 m2/g,其中以微孔為主,且在273 K下CO2吸附量可達6.0 mmol/g。此外,活化碳微球還可以作為良好的電容器材料。當KOH/C質量比為2和3時所得活化碳微球的容量分別為186 F.g-1和241 F·g-1,且具有較好的倍率性能以及循環(huán)性能。
【關鍵詞】：聚合物微球 碳微球 反應機理 CO_2吸附 超級電容器
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 文獻綜述10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 多孔炭材料的制備方法11-16
• 1.2.1 氣相沉積法11-12
• 1.2.2 模板法12-14
• 1.2.3 水熱碳化法14
• 1.2.4 溶膠-凝膠法14-16
• 1.3 多孔炭材料改性方法16-19
• 1.3.1 活化法16-17
• 1.3.2 氮摻雜17-19
• 1.4 多孔炭材料的應用19-21
• 1.4.1 超級電容器19-20
• 1.4.2 吸附領域20
• 1.4.3 催化領域20-21
• 1.5 多孔碳微球的研究現狀21-22
• 1.6 課題的提出與主要研究內容22-24
• 第2章 實驗部分24-27
• 2.1 主要的實驗原料24
• 2.2 主要儀器設備24-25
• 2.3 分析表征方法25-27
• 第3章 富氮碳微球的合成工藝及吸附性能考察27-46
• 3.1 引言27
• 3.2 實驗部分27
• 3.3 結果與討論27-45
• 3.3.1 實驗原理27-28
• 3.3.2 聚合物的微觀形貌28-30
• 3.3.3 聚合物的結構表征30-34
• 3.3.4 碳微球的形貌與結構表征及CO_2吸附應用34-38
• 3.3.5 合成工藝對材料形貌與結構的影響38-45
• 3.4 本章小結45-46
• 第4章 PEI合成富氮碳微球的機理研究46-62
• 4.1 引言46
• 4.2 實驗部分46
• 4.3 結果與討論46-61
• 4.3.1 聚合物的微觀形貌46-48
• 4.3.2 聚合物的結構表征48-52
• 4.3.3 聚合物反應過程機理探究52-55
• 4.3.4 碳微球的表征及應用55-61
• 4.4 本章小結61-62
• 第5章 碳微球的活化改性及吸附性能與電化學性能考察62-71
• 5.1 引言62
• 5.2 實驗部分62
• 5.2.1 活化碳微球的制備62
• 5.2.2 電容器性能測試62
• 5.3 結果與討論62-70
• 5.3.1 活化碳微球的形貌62-63
• 5.3.2 活化碳微球的結構表征63-66
• 5.3.3 活化碳微球的CO_2吸附應用66-67
• 5.3.4 活化碳微球的電化學應用67-70
• 5.4 本章小結70-71
• 第6章 結論與展望71-73
• 6.1 主要結論71-72
• 6.2 創(chuàng)新點72
• 6.3 工作展望72-73
• 參考文獻73-79
• 致謝79-80
• 附錄80

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

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本文編號：343110