大孔炭气凝胶的制备及其氧化性能研究

论文摘要

炭气凝胶是由炭纳米颗粒相互连接而成的块状材料,具有连续的三维网络结构。到目前为止,在气凝胶家族中,炭气凝胶是唯一可以导电的气凝胶,且加之良好的耐酸碱特性使得其在吸附分离、催化剂载体、色谱仪填料以及超级电容器的电极材料方面得到了广泛的应用。但是大多数的炭气凝胶制备仍旧采用CO2超临界干燥,该方法在超临界干燥中消耗大量的液体CO2,使得炭气凝胶的生产成本高且效率低,制约了炭气凝胶在各领域的广泛应用。尽管多孔炭材料气凝胶具有如上诸多的优点,但是其抗氧化性能却非常的有限,在空气中,当外界温度升至370℃时就开始有明显的质量损失,且伴随着电阻率的升高和孔隙率的增加,从而导致其机械性能的降低,因此极大的限制了其在催化领域的应用。本论文通过条件优化制备出了可采用常压干燥的间苯二酚甲醛基炭气凝胶,利用硼酸以及磷酸作为添加剂制备出了硼、磷取代的苯酚糠醛基炭气凝胶,并考察了其常压干燥的可能。最后通过表面涂布以及溶液浸渍等方法对所制备的炭气凝胶进行抗氧化改性。论文的研究内容主要分为四个部分：1、以间苯二酚、甲醛为原料,碳酸钠为催化剂,去离子水作为溶剂,通过溶胶-凝胶反应、溶剂置换常压干燥以及最后的高温炭化得到了富含大孔的炭气凝胶,其大孔率高达89%,比表面积可达510m2/g,且其炭化收率为50%～60%,较同类常压干燥RF气凝胶要高。2、以苯酚、糠醛为原料,间甲酚为反应中间相,正丙醇作为溶剂,硼酸作为反应添加剂,通过溶胶-凝胶反应、超临界正己烷干燥以及后续的高温炭化得到了硼取代的炭气凝胶,并考察了硼酸加量以及总反应物浓度对炭气凝胶性质的影响。实验结果表明硼酸加量固定时,加大总反应物浓度所得炭气凝胶的凝胶颗粒逐渐变小,且BET比表面积有明显的增加,从1 m2/g增加到370m2/g,随着总反应物浓度的增加炭气凝胶中的微孔增加。3、以苯酚、间甲酚和糠醛为原料,正丙醇作为溶剂,磷酸作为反应添加剂,通过溶胶-凝胶反应、超临界正己烷干燥以及后续的高温炭化得到了富含大孔的磷取代炭气凝胶,利用扫描电镜（SEM）、N2吸附、傅立叶红外（FT-IR）.压汞测试（IMP）等表征手段对制备所得的磷取代炭气凝胶进行了表征,其比表面积最高可达455m2/g,大孔率可达99%。文章中重点考察了磷酸加量以及总反应物浓度对炭气凝胶性质的影响。4、采用磷酸铝、磷酸二氢铝、正硅酸乙酯（TEOS）,通过表面涂布、溶液浸渍以及化学气相沉积（CVD）等一系列方法对以上制备所得炭气凝胶进行抗氧化改性,最后采用自组装装置对改性后的炭气凝胶进行抗氧化效果评价。经改性后的炭气凝胶其氧化失重可降低10～35%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 气凝胶概述
• 1.1.1 气凝胶定义
• 1.1.2 气凝胶的发展
• 1.2 炭气凝胶概述
• 1.3 炭气凝胶的制备
• 1.4 影响炭气凝胶制备的条件
• 1.4.1 催化剂种类及浓度
• 1.4.2 反应物总浓度
• 1.4.3 老化及溶剂置换
• 1.4.4 凝胶的干燥
• 1.4.5 炭化
• 1.5 多孔炭材料氧化性能研究
• 1.6 炭气凝胶的应用
• 1.7 课题的提出及主要研究内容
• 第2章 实验及表征
• 2.1 实验原料及试剂
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 实验步骤
• 2.3.1 常压干燥间苯二酚-甲醛炭气凝胶的制备
• 2.3.2 硼取代炭气凝胶的制备
• 2.3.3 磷取代炭气凝胶的制备
• 2.3.4 炭气凝胶的氧化性能评价
• 2.4 结构测试及表征
• 2.4.1 pH测量
• 2.4.2 干燥收缩率、炭化收缩率和密度的表征
• 2.4.3 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 2吸附测试（BET）'>2.4.4 N₂吸附测试（BET）
• 2.4.5 压汞测试（MIP）
• 2.4.6 红外测试（IR）
• 2.4.7 热重分析（TG-DTG）
• 2.4.8 元素含量测定（ICP）
• 第3章 常压干燥RF大孔炭气凝胶的制备
• 3.1 实验背景
• 3.2 实验条件的筛选
• 3.2.1 一次补水方案
• 3.2.2 二次补水方案
• 3.3 RF有机气凝胶IR测试
• 3.4 RF有机气凝胶TG测试
• 3.5 RF炭气凝胶SEM图
• 2吸附测试（BJH分析）'>3.6 RF炭气凝胶N₂吸附测试（BJH分析）
• 3.7 RF炭气凝胶压汞（MIP）测试
• 3.8 本章小结
• 第4章 硼取代大孔炭气凝胶的制备
• 4.1 实验背景
• 4.2 硼取代炭气凝胶的制备
• 4.2.1 硼酸加量对气凝胶性能的影响
• 4.2.2 反应物浓度对气凝胶性能的影响
• 4.3 硼取代有机气凝胶IR测试
• 4.4 硼取代有机气凝胶TG测试
• 4.5 硼取代炭气凝胶SEM图
• 4.5.1 固定反应物浓度改变硼酸加量
• 4.5.2 固定硼酸加量改变总反应物浓度
• 2吸附测试'>4.6 硼取代大孔炭气凝胶N₂吸附测试
• 4.7 本章小结
• 第5章 磷取代大孔炭气凝胶的制备
• 5.1 实验背景
• 5.2 磷取代炭气凝胶的制备
• 5.2.1 固定总反应物浓度改变磷酸加量
• 5.2.2 固定磷酸加量改变总反应物浓度
• 5.3 磷取代有机气凝胶IR测试
• 5.4 磷取代有机气凝胶TG测试
• 5.5 磷取代炭气凝胶SEM图
• 5.5.1 不同磷酸加量下炭气凝胶SEM图
• 5.5.2 不同总反应物浓度下炭气凝胶SEM图
• 2吸附测试'>5.6 磷取代炭气凝胶N₂吸附测试
• 2吸附测试'>5.6.1 不同磷酸加量下炭气凝胶N₂吸附测试
• 2吸附测试'>5.6.2 不同总反应物浓度下炭气凝胶N₂吸附测试
• 5.7 磷取代炭气凝胶压汞（MIP）测试
• 5.8 本章小结
• 第6章 炭气凝胶氧化性能研究
• 6.1 实验背景
• 6.2 RF炭气凝胶氧化性能测试实验
• 6.2.1 RF炭凝胶氧化性能评价
• 6.2.2 RF炭气凝胶溶液浸涂法
• 6.2.3 RF炭气凝胶CVD法
• 6.3 硼取代炭气凝胶氧化性能测试实验
• 6.3.1 不同总反应物浓度样品
• 6.3.2 新制备与久置炭化样品
• 6.4 磷取代炭气凝胶氧化性能测试实验
• 6.4.1 磷取代炭气凝胶氧化性能评价
• 6.4.2 磷取代炭气凝胶表面浸涂法
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果