纳米结构整体式多孔炭的制备及在CO2吸附分离中的应用研究

论文摘要

全球气候的变暖日益威胁着人类的生存环境,也不断地促使着人类对于减少温室气体特别是CO2排放的研究。在众多捕获CO：技术的中,基于吸附分离方法的技术研究正受到越来越多的关注。吸附分离方法的核心是研制具有高吸附性能和实用价值的吸附剂。由于多孔炭材料具有廉价、热稳定性和化学稳定性好、CO2吸附和再生性能优越等特点,使其成为在CO2捕获分离运用过程中强有力的竞争者。本工作以曼尼奇反应为指导,通过酚醛胺体系的聚合反应,制备了具有整体式形貌的纳米结构多孔炭,表现出优良的CO2吸附性能。在间苯二酚和甲醛的聚合反应体系中,引入含N丰富的三聚氰胺,从分子组装步骤开始引入N元素,从而在多孔炭合成的源头实现杂原子的掺杂。实验表明,该方法不但能调变多孔炭的表面化学,而且有利于优化纳米结构多孔炭的织构性能（比表面积和孔体积）。改变三聚氰胺的加入量,导致最终合成的多孔炭材料结构性质有较大的差别；炭化温度的改变对多孔炭结构性质的影响较大；催化剂赖氨酸的用量对最终多孔炭的结构也有一定的影响；弱酸性谷氨酸的加入,有利于形成比表面积和微孔体积更加丰富的多孔炭,且对二氧化碳的吸附能力也有所提高。工业化应用要求吸附剂具备优越的CO2体积吸附能力能。基于此,通过优化整体式多孔炭的结构特性,利用整体式炭的多孔性,采用重复浸渍-结晶的方法,原位限制性嵌入金属有机骨架（MOFs）晶体,制备了多孔炭与MOFs整体式复合物。该复合物对CO2的体积吸附量可达22.7cm3cm-3,约是原始多孔炭吸附量的2倍。此外,通过动态CO2吸附测试,表明该复合物对CO2具有良好的吸附选择性,对CO2和N2的分离系数可达67-100,另外,该复合物可在常温常压下实现再生,表现出优越的循环再生性能。众所周知,吸附剂的比表面积,特别是微孔比表面积,由于其适合吸附CO2分子,使其成为影响吸附剂CO2吸附性能的关键因素。因此,为了最大化地提高吸附剂对C02的吸附性能,就必须在增强吸附剂的表面吸附位能的同时,优化多孔炭的微孔比表,提供更加丰富的CO2吸附位点。在本文第五章中,创新性地利用原位刻蚀炭壁制造微孔的方法,优化了原始多孔炭的微孔比表面积,使其对CO2的吸附能力可达5.4mmol g-1（273K,1bar）。该吸附能力可与当今具有最高C02吸附水平的炭材料和MOFs材料相媲美。此外,运用DFT法,系统地考察了在不同测试条件下的吸附量与孔径的对应关系,认为在25℃,CO2分压为0.15bar时下,0.7nm的孔径最适合对CO2的吸附,温度更低或是压力更高所对应的CO2吸附最适孔径相应变大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 2的排放与来源'>1.1 CO₂的排放与来源
• 2捕获分离系统与方法'>1.2 CO₂捕获分离系统与方法
• 2吸附材料'>1.3 常见的CO₂吸附材料
• 1.3.1 活性炭
• 1.3.2 沸石分子筛
• 2分子筛'>1.3.3 SiO₂分子筛
• 1.3.4 微孔有机聚合物（MOPs）
• 1.3.5 金属-有机骨架（Metal-organic Frameworks,MOFs）
• 2吸附剂'>1.3.6 钙基、锆基和锂基高温CO₂吸附剂
• 1.3.7 新型炭材料
• 1.4 多孔炭材料
• 1.4.1 多孔炭材料相关概念
• 2吸附运用中的研究现状'>1.4.2 多孔炭材料制备及其在CO₂吸附运用中的研究现状
• 1.5 本文的选题依据和研究内容
• 2 实验综述
• 2.1 实验主要药品、仪器设备及表征手段
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 表征手段
• 2测试方法'>2.2 CO₂测试方法
• 2静态吸附测试'>2.2.1 ASAP 2020 CO₂静态吸附测试
• 2动态吸附测试'>2.2.2 CO₂动态吸附测试
• 2吸附性能的研究'>3 含N整体式多孔炭的合成及其CO₂吸附性能的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 引入三聚氰胺快速合成整体式含N多孔炭
• 3.3.2 三聚氰胺用量的改变
• 3.3.3 炭化温度的改变
• 3.3.4 谷氨酸作用的影响
• 3.3.5 加入谷氨酸后三聚氰胺用量的改变
• 3.3.6 加入谷氨酸后赖氨酸用量的改变
• 3.4 结论
• 2的体积吸附量的研究'>4 多级孔道整体式炭复合MOFs增强其对CO₂的体积吸附量的研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 HCM的合成
• 3（BTC）₂的合成'>4.2.2 Cu₃（BTC）₂的合成
• 3（BTC）₂复合物的合成'>4.2.3 HCM-Cu₃（BTC）₂复合物的合成
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 SEM和XRD结构表征
• 4.3.2 红外光谱分析
• 4.3.3 热重分析
• 4.3.4 氮吸附分析及织构参数分析
• 2静态吸附测试'>4.3.5 CO₂静态吸附测试
• 2动态吸附测试'>4.3.6 CO₂动态吸附测试
• 4.4 本章小结
• 2吸附能力的研究'>5 原位刻蚀法优化多孔炭织构性质增强其CO₂吸附能力的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 热重测试及分析
• 5.3.2 多孔炭的形貌及织构性能
• 2吸附测试'>5.3.3 CO₂吸附测试
• 2吸附量与孔径大小的关系'>5.3.4 CO₂吸附量与孔径大小的关系
• 2动态吸附测试'>5.3.5 CO₂动态吸附测试
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢