ICF靶用酚醛类气凝胶的制备及氢、氘吸附应用研究

论文摘要

碳气凝胶具有独特的多孔结构，它的高比表面积、纳米级孔隙、纳米级骨架碳微粒以及非晶态的结构形态等特性，有利于增强碳气凝胶的表面吸附能力。碳气凝胶是通过多官能团的酚类化合物和醛在碱性催化剂作用下，经过溶胶-凝胶、酸洗老化、溶剂交换、超临界干燥以及高温碳化过程制备而成。碳气凝胶在力学、声学、电学、热学以及光学等领域都有潜在的应用价值，而在惯性约束聚变（ICF）和民用储氢方面的应用研究备受关注。 本论文在制备酚醛类有机气凝胶和相应的碳气凝胶的过程中，改进了气凝胶的制备工艺，达到了缩短气凝胶制备周期、提高气凝胶质量和降低气凝胶制备成本的目的。 在气凝胶制备的溶胶凝胶阶段，采用超声波恒温加热的方法提高了凝胶化速度，有效地抑制了凝胶过程中酚类物质氧化的影响，经过超声加热所制备的有机气凝胶其透明性较好，气凝胶的品质得到了改善。 在溶剂交换过程中，采取了两种方式来加快溶剂交换的速度。一是采用低强度的超声波作用，使丙酮交换含水凝胶中水的速率提高了上万倍，同时通过控制作用时间，在提高交换速率的同时保持了凝胶结构不被破坏。二是采用由蠕动泵带动的循环流动法进行溶剂交换，对于高密度凝胶可以提高其交换速率，但由于存在一定的压力，低密度样品的形态受到一定的影响。 在改进的工艺条件下制备了多种有机气凝胶及相应碳气凝胶材料。以间苯二酚和甲醛为原料，以水为溶剂制备了间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶。制得的有机气凝胶透明性较好，碳化处理后气凝胶的结构均匀，其密度由反应物浓度和催化剂浓度控制；以间苯三酚和甲醛为原料，以乙醇-水混合物为溶剂制备出了透明性比RF气凝胶更好，密度更低（＜20mg／cm3）的间苯三酚-甲醛（PF）有机气凝胶和相应的碳化气凝胶（CPF）；以对苯二酚和甲醛为原料，在高催化剂浓度（对苯二酚与催化剂的摩尔比H／C＜100）条件下，成功制备出了对苯二酚-甲醛（HF）有机气凝胶和相应的碳气凝胶（CHF）样品，所制备的HF的透明性较RF的差，很难制备成低密度的HF气凝胶。 为改善气凝胶的孔结构，进行了气凝胶的改性研究。以间苯二酚（R）、对苯二酚（H）以及甲醛为原料，合成了不同R：H配比的间苯二酚-对苯二酚-甲醛（RHF）复合有机气凝胶及相应的碳气凝胶（CRHF）。复合气凝胶的制备存在最佳的R：H比例关系，在最佳的R：H配比下，反应最容易进行，制备出的复合有机气凝胶透明性最好，密度可以进一步降低。 开发了一种利用超声波粉碎机进行超声乳化，将RF反应体系均匀分散于不溶性油相中，经过乳液聚合和乙醇超临界干燥制备出了亚微米级有机气凝胶粉末，并建立了经

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 论文综述
• 1.1 国内外研究现状分析
• 1.1.1 金属氢化物和复合金属氢化物
• 1.1.2 碳纳米材料
• 1.1.3 碳的物理吸附
• 1.1.4 碳的化学吸附
• 1.1.5 储氢材料在ICF方面的应用
• 1.2 有机气凝胶及碳化气凝胶的研究进展
• 1.3 碳气凝胶特性
• 1.3.1 力学特性
• 1.3.2 光学特性
• 1.3.3 热学特性
• 1.3.4 电学特性
• 1.3.5 分形性质
• 1.3.6 传质特性
• 1.4 碳气凝胶结构表征
• 1.5 有机气凝胶和碳气凝胶的应用
• 1.5.1 高功率激光研究
• 1.5.2 贮氢材料
• 1.5.3 高能物理方面
• 1.5.4 隔热材料
• 1.5.5 声阻抗耦合材料
• 1.5.6 催化及吸附应用
• 1.5.7 电学应用
• 1.5.8 有机气凝胶微球应用
• 1.5.9 其他方面的应用
• 1.6 气凝胶材料的计算机模拟
• 1.6.1 材料结构模拟
• 1.6.2 多孔材料吸附机制模拟
• 1.7 选题主要依据和主要研究方向
• 第二章 几种酚醛类气凝胶的制备
• 2.1 溶胶-凝胶法制备有机气凝胶的基本历程
• 2.1.1 溶液配制
• 2.1.2 溶胶-凝胶过程
• 2.1.3 酸洗老化过程
• 2.1.4 溶剂交换
• 2.1.5 干燥技术
• 2.1.5.1 超临界流体干燥方法
• 2.1.5.2 冷冻干燥法
• 2.1.5.3 常压干燥法
• 2.1.5.4 凝胶改性后的次临界干燥
• 2.1.6 RF气凝胶的碳化
• 2.2 间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶制备
• 2.2.1 实验试剂及仪器
• 2.2.2 RF气凝胶的制备过程
• 2.3 超声波技术对RF制备工艺的改进
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.1.1 凝胶合成
• 2.3.1.2 粒径分析
• 2.3.1.3 溶剂交换
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2.3.2.1 超声对凝胶反应的促进作用
• 2.3.2.2 超声波对凝胶核生长促进
• 2.3.2.3 超声波对溶剂交换的加速作用
• 2.3.3 RF有机气凝胶的热重分析
• 2.3.4 能谱图
• 2.4 对苯二酚-甲醛（HF）有机气凝胶的制备
• 2.4.1 制备方法
• 2.4.2 结构表征
• 2.4.2.1 红外吸收光谱
• 2.4.2.2 HF碳气凝胶的微观结构
• 2.4.2.3 XRD衍射谱
• 2.4.2.4 孔径分布
• 2.4.3 反应配比对凝胶性能的影响
• 2.5 间苯三酚-甲醛（PF）气凝胶制备
• 2.5.1 制备工艺
• 2.5.1.1 凝胶合成
• 2.5.1.2 溶剂交换
• 2.5.1.3 超临界干燥
• 2.5.1.4 碳化
• 2.5.1.5 表征
• 2.5.2 PF气凝胶微观结构分析
• 2.5.3 红外分析
• 2.5.4 热分析
• 2.5.5 比表面积及孔径分布
• 2.6 本章小结
• 第三章 改性酚醛气凝胶的制备
• 3.1 间苯二酚（R）-对苯二酚（H）-甲醛（F）复合有机/碳气凝胶制备
• 3.1.1 实验试剂及仪器
• 3.1.2 制备工艺
• 3.1.3 凝胶时间的对比
• 3.1.4 密度、比表面积、孔洞率对比
• 3.1.5 红外谱图对比
• 3.2 金属掺杂RF气凝胶及其碳化气凝胶的制备与表征
• 3.2.1 物理掺杂
• 3.2.1.1 实验方法和试剂
• 3.2.2 形貌和结构
• 3.2.3 密度、比表面积和孔径
• 3.2.4 红外谱图
• 3.2.5 成分分析
• 3.3 无机氧化物掺杂气凝胶的制备与表征
• 3.3.1 气凝胶化学法掺杂研究
• 3.3.2 注入法掺杂碳气凝胶的制备与表征
• 3.3.3 X射线衍射谱
• 3.3.4 X光电子能谱
• 3.4 RF气凝胶粉末的制备
• 3.4.1 实验方法
• 3.4.2 实验条件对粉末成型的影响
• 3.4.3 激光粒度分析
• 3.4.4 透射电镜分析（TEM）
• 3.4.5 比表面分析和XRD
• 3.5 本章小结
• 第四章 ICF用有机气凝胶及碳气凝胶靶的制备研究
• 4.1 ICF靶用泡沫研究进展
• 4.1.1 改进可加工泡沫
• 4.1.2 冷冻状态方程靶
• 4.1.3 浸润泡沫球壳
• 4.1.4 表面起伏泡沫靶
• 4.2 有机气凝胶薄膜的制备
• 4.2.1 旋转法制备RF气凝胶薄膜
• 4.2.1.1 溶液的表观粘度的影响
• 4.2.1.2 旋转角速度的影响
• 4.2.1.3 旋转时间的影响
• 4.2.2 模具浇铸法制备RF气凝胶薄膜
• 4.2.3 有机气凝胶薄膜的表征
• 4.2.3.1 薄膜厚度的测量
• 4.2.3.2 薄膜的外观形貌
• 4.2.4 薄膜密度测量
• 4.3 有机气凝胶空心微球制备
• 4.3.1 聚苯乙烯-RF双层空心微球制备
• 4.3.2 RF单层空心微球的制备
• 4.4 ICF实验用高密度碳泡沫的研制
• 4.5 本章小结
• 第五章 酚醛类凝胶化机理研究
• 5.1 酚醛类间苯二酚-甲醛凝胶化基本历程
• 5.2 制备条件讨论
• 5.2.1 溶液配比对凝胶时间的影响
• 5.2.2 反应温度对凝胶时间的影响
• 5.3 凝胶过程中的粘度变化
• 5.3.1 粘度的定义及粘度测量原理
• 5.3.2 实验方法
• 5.3.2.1 超声波粘度计及粘度测量
• 5.3.2.2 用于粘度表征的有机气凝胶反应体系
• 5.3.3 凝胶体系特征粘度曲线
• 5.3.4 RF体系粘度变化曲线
• 5.3.5 复合气凝胶RHF体系
• 5.3.5.1 反应物浓度对反应过程粘度影响
• 5.3.5.2 R/H比例对反应过程的粘度影响
• 5.3.5.3 催化剂浓度变化对凝胶生长过程的粘度影响
• 5.4 紫外-可见分光光度法研究RHF体系反应动力学
• 5.4.1 理论基础
• 5.4.2 实验
• 5.4.2.1 试剂列表
• 5.4.2.2 实验过程
• 5.4.3 间苯二酚、对苯二酚的紫外吸收曲线
• 5.4.4 RF反应体系的紫外吸收变化
• 5.4.5 HF反应体系
• 5.4.6 RHF反应体系
• 5.5 本章小结
• 第六章 气凝胶材料的吸附表征
• 6.1 多孔材料的吸附表征技术进展
• 6.2 吸附表征的基本原理和方法
• 6.2.1 基本原理
• 6.2.2 计算方法
• 6.2.2.1 吸附势能
• 6.2.2.2 吸附热
• 6.2.3 孔的分类
• 6.2.4 吸附等温线及其分类
• 6.2.5 单分子层吸附与多分子层吸附
• 6.2.6 BET方程与表面积计算
• 6.2.7 总孔容和平均孔径
• 5.2.8 中孔分析及BJH法孔径分布
• 5.2.9 微孔分析和v-t曲线
• 6.2.10 DR法和DA方法
• 6.2.11 密度函数理论（DFT）和Monte Carlo方法
• 6.3 实验
• 6.3.1 空气增重实验
• 6.3.2 吸附测量的制样准备
• 6.3.3 吸附等温线及脱附等温线的测量
• 2吸附数据分析'>6.4 块状RF-CRF气凝胶N₂吸附数据分析
• 6.4.1 吸附等温线
• 6.4.2 比表面积、孔体积及平均孔径
• 6.4.3 BJH中孔孔径分布
• 6.4.4 DR微孔分析和DA微孔孔径分布
• 6.4.5 对吸附等温线的DFT拟合分析
• 2吸附数据分析'>6.5 RF-CRF气凝胶气凝胶粉末N₂吸附数据分析
• 6.5.1 吸附等温线
• 6.5.2 比表面积、孔体积及平均孔径
• 6.5.3 BJH中孔孔径分布
• 6.5.4 DR微孔分析和DA微孔孔径分布
• 6.5.5 对吸附等温线的DFT拟合分析
• 6.6 本章小结
• 第七章:酚醛类气凝胶的氢、氘吸附行为研究
• 7.1 碳的物理吸附
• 7.2 氢吸附的测量方法
• 7.3 热重法氢吸附测量
• 7.4 实验装置的建立和计算方法
• 7.4.1 吸附装置的设计
• 7.4.2 装置的吸附测量原理
• 7.4.3 计算方法的建立
• 7.5 吸附实验
• 7.5.1 77K氢气吸附
• 7.5.2 变温吸附
• 7.5.3 脱附测量
• 7.6 气体吸附量的计算
• 7.7 块状气凝胶氢吸附
• 7.7.1 碳化前后气凝胶氢吸附
• 7.7.2 碳化复合气凝胶与CRF气凝胶氢吸附比较
• 7.7.3 气凝胶氢吸附动力学
• 7.7.4 碳气凝胶吸氢量随温度的变化
• 7.7.5 碳气凝胶材料与活性炭以及碳六十的吸氢量比较
• 7.8 气凝胶粉末的氢吸附
• 7.8.1 RF有机气凝胶粉末的氢吸附
• 7.8.2 CRF有机气凝胶粉末的氢吸附
• 7.9 块状气凝胶材料的氘吸附实验
• 7.9.1 块状气凝胶碳化前后吸氘量比较
• 7.9.2 间苯三酚-甲醛气凝胶碳化前后到吸附量比较
• 7.10 利用比表面仪进行的低温低压氢吸附实验
• 7.10.1 CRF碳气凝胶的氢吸附测量
• 7.10.2 CRF碳气凝胶粉末的氢吸附测量
• 7.10.3 CRF、活性炭AC及掺镍Ni-CRF材料的H2吸附测量
• 7.11 本章小结
• 第八章 论文的主要工作及今后工作展望
• 8.1 论文的主要结论
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录