三聚氰胺富氮多孔材料的合成、表征及性能研究

论文摘要

近年来多孔材料得到了迅猛发展,但它在某些极其诱人的应用领域的研究才刚刚开始。由于传统的多孔材料结构和功能比较单一,所以开发新结构、高性能的新型多孔材料成了研究的热点。三嗪环由于物理化学性质稳定,氮含量丰富,因此具有许多优异的性能。基于此,本论文以廉价的三嗪单体—三聚氰胺为原料合成了几种新型富氮多孔材料,主要研究内容如下：1.利用席夫碱化学,以三聚氰胺与对苯二甲醛作为单体,二甲亚砜为溶剂,在微波条件下无催化剂快速合成了具有缩醛胺网状结构的多孔聚合物。该聚合物含氮量高达50wt%,比表面积达301 m2/g,且原位掺杂了硫原子。汞离子静态吸附试验证实了该聚合物可以快速、高效、选择性的吸附汞离子,并且不会破坏聚合物结构。FT-IR, Raman和XPS研究表明其吸附机理主要为聚合物表面的氮和硫原子与汞离子的表面配位。2.以廉价的纳米碳酸钙（nano-CaCO3,约3000元/吨）为硬模板,三聚氰胺甲醛树脂（MF）为碳源,HCl为模板去除剂,通过两条不同的合成路线制备了几种宏观上为柱状体或粉末的新型氮掺杂多孔碳材料。通过简单的改变模板加入量和碳化温度,可以得到不同形貌（例多孔框架结构、空心球）和不同石墨化程度的氮掺杂碳材料。所得碳材料的含氮量高达20.9wt%,具有丰富的介孔和大孔,比表面积和孔容分别高达834 m2/g和5.6 cm3/g。更重要的是,首次发现了nano-CaCO3具有温和的催化石墨化活性（活性温度主要在1000-1300℃）。3.研究了nano-CaCO3对MF的碳化、石墨化以及多孔结构的形成所起的作用。作为对比,选取了碳水化合物和酚醛树脂为碳源检验了其催化石墨化活性。研究发现,nano-CaCO3至少有三重作用：（1）作为模板产生大量介孔和大孔；（2）作为活化剂原位产生微孔和小的介孔；（3）作为通用的石墨化催化剂形成石墨化结构。但是碳源不同其催化石墨化机理不同：对于MF树脂,其机理是形成了CaCN2和Ca（CN）2中间体,得到的碳是石墨结构；对于非N碳源,其机理是形成了CaO和CaC2中间体,得到的碳是乱层结构。特别的是,以蔗糖为碳源合成的石墨化多孔碳,其比表面积和孔容分别高达1683 m2/g和6.7 cm3/g。本研究为富氮多孔材料的实际应用提供了新材料,并为可控合成石墨化多孔碳材料提供了新方法,具有重要的理论意义及实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 简略词表
• 第一章 绪论
• 1 多孔材料的概述
• 2 多孔材料的分类
• 3 多孔有机聚合物
• 3.1 多孔有机聚合物的特征
• 3.1.1 合成方法多样性
• 3.1.2 分子结构可设计性
• 3.1.3 物理化学稳定性
• 3.2 存在问题
• 3.3 多孔有机聚合物的应用
• 4 多孔碳
• 4.1 氮掺杂多孔碳
• 4.2 合成方法
• 4.3 存在问题
• 5 论文选题背景及主要研究内容
• 第二章 新型蜜胺基多孔聚合物的合成、表征及应用
• 1 引言
• 2 试剂与仪器
• 2.1 实验药品
• 2.2 仪器
• 3 方法和步骤
• 3.1 三聚氰胺席夫碱多孔聚合物（SNW）合成
• 3.2 汞离子吸附
• 4 结果与讨论
• 4.1 SNW合成
• 4.2 SNW结构表征
• 4.2.1 元素分析
• 4.2.2 红外光谱（FTIR）分析
• 13C NMR)分析'>4.2.3 固体核磁碳谱(Solid ¹³C NMR)分析
• 4.2.4 拉曼光谱（Raman）分析
• 4.2.5 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 4.2.6 X-射线粉末衍射（XRD）分析
• 4.2.7 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2吸附-脱附分析'>4.2.8 N₂吸附-脱附分析
• 4.3 SNW性能研究
• 4.3.1 溶解性
• 4.3.2 热稳定性
• 4.3.3 光致发光（PL）
• 4.4 SNW对Hg离子的吸附
• 4.4.1 不同TA/MA比例的聚合物对汞离子的吸附
• 4.4.2 吸附动力学研究
• 4.4.3 吸附等温线
• 4.4.4 选择性吸附
• 4.5 吸附机理探讨
• 5 小结
• 第三章 蜜胺基氮掺杂多孔碳的合成及表征
• 1 引言
• 2 试剂与仪器
• 2.1 实验药品
• 2.2 仪器
• 3 实验方法
• 3.1 MF基多孔碳合成
• 3复合物合成'>3.1.1 MF/CaCO₃复合物合成
• 3.1.2 MF基多孔碳合成
• 3.2 MF基多孔碳表征
• 4 结果与讨论
• 4.1 MF基多孔碳合成
• 4.2 氮掺杂多孔碳的表征
• 4.2.1 电镜表征
• 4.2.2 XRD和Raman表征
• 4.2.3 元素分析和XPS表征
• 4.2.4 热（氧化）稳定性
• 2吸附-脱附表征'>4.2.5 N₂吸附-脱附表征
• 5 小结
• 第四章 蜜胺基氮掺杂多孔碳的形成及石墨化机理研究
• 1 引言
• 2 试剂与仪器
• 2.1 实验药品
• 2.2 仪器
• 3 实验方法
• 3.1 以MF树脂为碳源
• 3.2 以碳水化合物为碳源
• 3.2.1 蔗糖和葡萄糖
• 3.2.2 淀粉
• 3.3 以酚醛树脂为碳源
• 3.4 样品表征
• 4 结果与讨论
• 4.1 TGA表征
• 4.2 FTIR表征
• 4.3 XRD表征
• 3对含N碳源的催化石墨化机理'>4.4 Nano-CaCO₃对含N碳源的催化石墨化机理
• 2相关背景'>4.4.1 CaCN₂相关背景
• 3体系中的化学反应及石墨化机理'>4.4.2 MF/CaCO₃体系中的化学反应及石墨化机理
• 3对非N碳源的催化石墨化机理'>4.5 Nano-CaCO₃对非N碳源的催化石墨化机理
• 5 小结
• 全文总结
• 全文参考文献
• 致谢
• 附录