改善碳材料吸附性能的方法研究

论文摘要

目前,材料的吸附性能已经越来越广泛地被应用在人们的日常生活及工业生产当中。因此,对于具有良好吸附性能的吸附剂的选择便成为了发挥其作用的关键。在众多的吸附材料中,碳材料由于其优异的物理化学性质及热稳定性显得尤为突出。如何在保证不破坏其它优异性能的同时还能最大限度的提高碳材料的吸附性能也便成为了人们日益关注的问题。碳微球因其特殊的结构尺寸而拥有良好的电学、磁学、力学、化学等性能,潜在应用价值十分巨大,因而成为高科技材料领域的一颗新星。本文采用化学气相沉积法（CVD）分别以乙炔、甲苯以及乙炔和甲苯混合物为原料,探索了制备碳微球的理想工艺参数。利用X-射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对不同温度制备的碳微球进行了观察表征和分析。实验证明:温度为1000℃时能制备出大量高纯度、形貌较好尺寸均匀的碳微球。对理想工艺参数下所得的碳微球分别进行酸洗处理和高温真空处理,酸洗处理后的样品中杂质量减少而增加了孔的数量和尺寸,而真空热处理则提高了碳微球的稳定性。本文还在液氮温度77K下测定不同工艺方法制备的碳微球吸附等温线和孔分布曲线。结果表明:不论是酸洗处理还是真空热处理都能使碳微球的孔含量尤其是微中孔含量增高,从而为碳微球作为吸附材料提供可能性。另外,经过对甲基橙溶液吸附测试后发现两种处理手段后获得的碳微球吸附能力更好。多孔碳材料是传统的吸附材料,其三维网络结构使其形成了丰富的孔结构而具有优异的吸附性能。作为一种工艺简单的制备方法,模板法能够获得孔径分布均匀的多孔碳材料,并且可以根据不同模板的选择来控制孔径的大小,因此成为合成多孔碳材料的首选方法。然而模板法也存在着会使多孔碳内部结构坍塌进而影响其吸附能力的弊端,为了防止这一问题的产生本文中采用了对模板进行浸润的方法。利用X-射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对获得的产物表征后表明其结构得到了改善。通过将模板预先浸润于有机物中的方法,可以获得孔径均一结构有序尤其是富含大量微孔结构的多孔碳材料,能够提高材料的比表面积和吸附量。浸润后吸附量提高了78%,吸附性能得到了很大程度的改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 吸附理论
• 1.1.1 吸附理论和吸附等温线方程
• 1.1.1.1 Langmuir 方程和BET 方程
• 1.1.1.2 Freundlich 方程
• 1.1.1.3 Dubinin-Radushkevich（DR）方程
• 1.1.2 吸附动力学
• 1.1.2.1 准一级动力学方程（Pseudo-First-Order Model）
• 1.1.2.2 准二级动力学方程（Pseudo-Second-Order Model）
• 1.1.2.3 粒子内扩散动力学方程（Intraparticle Diffusion Model）
• 1.1.3 影响吸附的因素
• 1.1.3.1 吸附剂的性质
• 1.1.3.2 吸附质的性质
• 1.1.3.3 吸附条件
• 1.2 碳微球的研究现状
• 1.2.1 碳微球的研究进展
• 1.2.2 碳微球的制备
• 1.2.3 碳微球的结构和性质
• 1.2.4 碳微球的形成机理探索
• 1.2.5 碳微球的应用
• 1.3 多孔碳材料的研究现状
• 1.3.1 多孔碳材料发展概况
• 1.3.2 多孔碳材料的制备方法
• 1.3.3 多孔碳材料的结构及其孔结构的表征
• 1.3.4 多孔碳材料在吸附领域的应用
• 1.4 研究目的和内容
• 1.4.1 目前存在的问题和趋势
• 1.4.2 研究目的和内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 CVD 制备碳微球的实验
• 2.1.1 CVD 法的实验原理
• 2.1.2 CVD 法的实验装置
• 2.1.3 CVD 法制备碳微球的原料
• 2.1.4 CVD 法制备碳微球的实验步骤
• 2.2 碳微球石墨化处理实验
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 真空热处理碳微球的实验步骤
• 2.3 硝酸氧化碳微球的实验
• 2.3.1 酸氧化碳微球的实验原料
• 2.3.2 硝酸氧化碳微球的实验步骤
• 2.4 CVD 法制备多孔碳材料的实验
• 2.4.1 多孔碳材料材料的实验原料
• 2.4.2 多孔碳材料材料的实验步骤
• 2.5 分析和测试方法
• 2.5.1 X-射线衍射（XRD）
• 2.5.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
• 2.5.3 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.5.4 热重分析分析（TGA）
• 2.5.5 红外光谱分析（FT-IR）
• 2.6 碳材料吸附性能测试的实验部分
• 2.6.1 氮气吸附测试
• 2.6.2 有色染料吸附测试
• 2.6.2.1 试剂与仪器
• 2.6.2.2 测定波长的选择及线性方程的建立
• 2.6.2.3 甲基橙染料的吸附实验
• 第三章 碳微球的结构和吸附性能表征及影响因素探索
• 3.1 CVD 法制备碳微球
• 3.2 碳微球处理前后产物表征
• 3.2.1 处理前后产物XRD 分析
• 3.2.2 处理前后产物FESEM 形貌分析
• 3.2.3 处理前后产物HRTEM 分析
• 3.2.4 处理前后产物FTIR 分析
• 3.2.5 处理前后产物的TGA 分析
• 3.3 处理前后的碳微球吸附性能的比较
• 3.3.1 气体吸附性能比较
• 3.3.1.1 吸附等温线分析
• 3.3.1.2 孔径分布分析
• 3.3.2 有色染料吸附性能比较
• 3.3.2.1 测定波长的选择及线性方程的建立
• 3.3.2.2 甲基橙染料的吸附实验
• 3.4 小结
• 第四章 多孔碳材料的吸附性能研究
• 4.1 多孔碳的产物表征
• 4.1.1 多孔碳的FESEM 分析
• 4.1.2 多孔碳的XRD 分析
• 4.2 多孔碳的吸附性能分析
• 4.3 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文及其研究成果