孔径均匀有序的中孔碳/氧化硅复合材料与中孔碳材料的合成与表征

论文摘要

中孔碳材料由于具有一些独特的特性,如三维有序的孔道结构,化学惰性和高的中孔孔容,在疏水大分子的吸附分离,色谱分离,电化学双层电容器和锂离子电池方面有广泛的应用前景。本论文的工作主要集中在两个方面:一是在水热合成过程中,引入各种无机盐、乙醇和蔗糖,考察其对中孔材料形貌和结构的影响;另一是采用浓硫酸预处理中孔孔道中的表面活性剂的方法,制备出一类孔径能够调变的碳/氧化硅复合材料;然后除去氧化硅壁得到中孔碳材料或用外来碳源填实复合材料的孔道,再得到中孔碳材料。中孔孔道中的表面活性剂的直接氮气保护下碳化和浓硫酸预先处理再碳化,均能得到碳/氧化硅复合材料。在后一种方法中通过改变预处理过程中浓硫酸的用量,一方面可以获得具有孔径均匀有序的碳/氧化硅复合材料,另一方面产品的孔径要大于空气中焙烧的样品,其孔径能在6.4～11.0 nm间调变,同时产品具有完美的结构有序性。刻蚀去碳/氧化硅复合材料的氧化硅壁,能够得到多孔碳材料。其具有两种孔径分布,分别是0.9 nm的微孔和4.3 nm中孔。由于我们的方法在一定范围内调变了碳/氧化硅复合材料的氧化硅壁的厚度。使用蔗糖填实这种材料的中孔孔道,碳化后去除氧化硅壁,能够得到具有不同孔径分布的中孔碳材料,孔径能在3.5～4.5 nm间调变。

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 多孔材料的分类
• 1.1.1 中孔材料
• 1.1.2 中孔分子筛的合成机理
• 1.1.2.1 液晶模板机理
• 1.1.2.2 硅酸盐棒状胶束组装
• 1.1.2.3 电荷密度匹配
• 1.1.2.4 硅酸液晶机理
• 1.1.2.5 协同自组装液晶相模板机理
• 1.1.3 中孔分子筛的合成路线
• 1.2 多孔碳材料的研究进展
• 1.2.1 多孔碳材料的合成方法
• 1.2.1.1 以纳米硅球或相关纳米结构的硅材料作为模板来合成纳米孔的碳材料
• 1.2.1.2 以沸石为模板合成有序的微孔碳材料
• 1.2.1.3 以中孔硅材料作为模板来合成有序中孔碳材料
• 1.2.1.3.1 液相法
• 1.2.1.3.2 气相法
• 1.2.1.4 以纳米硅球和中孔分子筛同时作模板
• 1.3 表面活性剂简介
• 1.3.1 表面活性剂分子在水溶液中的形态
• 1.3.2 表面活性剂分子合成中孔材料的形态
• 1.4 课题的提出
• 1.4.1 实验方案的设计
• 1.4.2 拟采用的实验方案
• 参考文献
• 第二章 实验总述
• 2.1 主要原料
• 2.2 分子筛的合成方法
• 2.3 样品的物理化学性质表征
• 2.3.1 XRD
• 2.3.2 氮气物理吸附
• 2.3.3 SEM
• 2.3.4 TEM
• 2.3.5 热分析
• 2.3.6 傅里叶变换红外（FTIR）光谱表征
• 2.4 碳化实验
• 2.4.1 碳化操作
• 2.4.2 碳化装置图
• 参考文献
• 第三章 在常温、强酸性条件下，各种添加剂对中孔氧化硅结构的影响
• 引言
• 3.1 中孔氧化硅的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 合成体系中加入乙醇对中孔氧化硅性质的影响
• 3.2.1.1 XRD 表征
• 3.2.1.2 物理吸附表征
• 3.2.1.3 透射电镜表征（TEM）
• 3.2.2 合成体系中加入各种含有不同价态阴离子的无机盐对中孔氧化硅性质的影响
• 3.2.2.1 XRD 表征
• 3.2.2.2 物理吸附表征
• 3.2.2.3 透射电镜表征（TEM）
• 3.2.3 在体系中引入蔗糖得到的中孔氧化硅
• 3.2.3.1 XRD 表征
• 3.2.3.2 物理吸附表征
• 3.2.3.3 扫描电镜表征（SEM）
• 3.2.3.4 透射电镜表征（TEM）
• 3.3 对各种添加剂对中孔氧化硅结构性能的影响的机理的探索
• 3.3.1 各种不同价态的无机盐阴离子加入对中孔氧化硅结构影响的探讨
• 3.3.2 乙醇的加入对中孔氧化硅结构影响的探讨
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 以含表面活性剂的中孔氧化硅为原料，合成碳／氧化硅复合材料及其结构研究
• 引言
• 4.1 碳／氧化硅复合材料的制备
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 原位碳化中孔二氧化硅（自制），合成碳／氧化硅复合材料
• 4.2.1.1 XRD 表征
• 4.2.1.2 透射电镜表征（TEM）
• 4.2.1.3 物理吸附表征（BET）
• 4.2.1.4 热重表征（TGA）
• 4.2.2 使用不同的浓硫酸量制备carbon/SBA-15 材料
• 4.2.2.1 XRD 表征
• 4.2.2.2 物理吸附表征
• 4.2.2.3 FTIR 表征
• 4.2.2.4 热重分析表征（TG）
• 4.2.2.5 扫描电镜表征（SEM）
• 4.2.2.6 透射电镜表征（TEM）
• 4.2.3 焙烧温度的影响
• 4.2.3.1 XRD 表征
• 4.2.3.2 氮气物理吸附表征
• 4.2.4 焙烧时间的影响
• 4.2.4.1 XRD 表征
• 4.3 硫酸预处理与随后氮气气氛中焙烧后，产品扩孔机理的探讨
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 使用模板法，仅以结构导向剂作碳源合成两维和三维结构的碳材料
• 引言
• 5.1 碳材料的制备
• 5.1.1 两维类碳纳米管材料的制备
• 5.1.2 三维中孔碳分子筛材料的制备
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 以含模板剂的MCM-41 为模板合成类碳纳米管材料
• 5.2.1.1 XRD 表征
• 5.2.1.2 透射电镜表征（TEM）
• 5.2.1.3 热重表征（TGA）
• 5.2.1.4 物理吸附表征
• 5.2.2 以含模板剂的SBA-15 为模板合成中孔碳材料
• 5.2.2.1 XRD 表征
• 5.2.2.2 物理吸附表征
• 5.2.2.3 透射电镜表征（TEM）
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 发展一种调变中孔碳材料孔径的新方法
• 引言
• 6.1 中孔碳材料的制备
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 XRD 表征
• 6.2.2 热重表征（TGA）
• 6.2.3 氮气物理吸附表征
• 6.2.4 透射电镜表征（TEM）
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 附录
• 第八章 使用原位FTIR 表征单壁碳纳米管吸氢的行为
• 8.1 材料的制备和原位吸氢实验条件
• 8.1.1 单壁碳纳米管和负载型单壁碳纳米管的制备
• 8.1.2 原位吸氢实验条件
• 8.2 原位FTIR 谱图分析
• 8.2.1 单壁碳纳米管吸氢的FTIR 谱图
• 8.2.2 负载Pd 的单壁碳纳米管吸氢的FTIR 谱图
• 8.3 本章小结
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论文和专利
• 致谢