有序介孔碳材料的合成及其应用研究

论文摘要

有序介孔碳材料作为一种性能优异的多孔材料，在很多领域具有巨大的应用潜力。由于其巨大的比表面积，大的孔容，均一的孔径分布及开放的孔道结构等优异性能，负载贵金属粒子制备的催化剂具有良好的催化活性，提高贵金属粒子的利用率，能较好的催化有大分子参与的化学反应。本文分别以硬模板两步法、一步法及软模板法合成出有序介孔碳材料，探讨了不同反应条件对其结构的影响及其可能的形成机理，并利用制备的有序介孔碳为载体负载Pt粒子，初步研究了其电化学性能。在不同的条件下合成出有序介孔硅，并以此为硬模板成功制备出有序介孔碳。结果发现，随着反应温度的升高，介孔硅的结构由二维六方相（p6mm）转变为三维立方相（Ia3d）；有序介孔碳复制介孔硅的结构之后，其结构由三维立方相（Ia3d）转变为四方相（I41/a），并分析了可能的相变机理。以15℃合成的介孔硅为模板合成的介孔碳有序度最高。以表面活性剂为模板剂，正硅酸乙酯为硅源，可溶性酚醛树脂为碳源采用硬模板一步法合成了有序介孔碳，研究了不同条件对有序介孔碳结构的影响。发现草酸不仅可以调节pH值，而且催化促进了正硅酸乙酯的水解聚合，因此，合成的介孔碳有序度较高。随着pH值的减小，合成出的介孔碳材料的有序度逐渐增大。以嵌段共聚物为模板剂，可溶性酚醛树脂为碳源前驱体采用软模板法合成了有序介孔碳。结果表明，适当的提高升温速率有助于提高热稳定性较好的介孔碳的有序度；采用不同链长的嵌段共聚物作为模板剂时，合成出介孔碳的结构也不同，并分析了可能的形成机理。硬模板一步法及软模板法制备有序介孔碳工艺简单，周期短，对其工业化生产具有重要意义，但是其有序度较低，性能较差。而硬模板两步法虽然周期长，工艺繁琐且硅模板的成本较高，制备的有序介孔碳有序度最好。以合成出的有序介孔碳为载体，采用浸渍法负载贵金属Pt粒子后测试结果表明以硬模板两步法合成的有序介孔碳为催化剂载体时，发现有序度越高，催化性能越好，电容值越大；而以采用一步法和软模板法合成的有序介孔碳作为载体时，也表现出了较好的电容器性能，但电容值较低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 介孔材料的合成研究概述
• 1.2.1 孔材料的研究历程
• 1.2.2 孔材料的合成机理
• 1.2.3 孔材料的组分研究
• 1.3 介孔材料的应用研究
• 1.3.1 化工催化方面的应用
• 1.3.2 环境保护领域的应用
• 1.3.3 生物医药的应用
• 1.3.4 电磁学领域内的应用
• 1.4 有序介孔碳的制备方法及应用
• 1.5 论文的选题及意义
• 第2章 硬模板两步法制备有序介孔碳
• 2.1 引言
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 有序介孔硅的制备
• 2.2.3 有序介孔碳的制备
• 2.2.4 样品测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 介孔硅煅烧前后的红外吸收光谱分析
• 2.3.2 氨水添加量对介孔硅的影响
• 2.3.3 反应温度对介孔硅及介孔碳的影响
• 2.3.4 有序介孔碳的表征及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 硬模板一步法制备有序介孔碳
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 可溶性酚醛树脂的制备
• 3.2.3 有序介孔碳的制备
• 3.2.4 样品测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 碳化温度对介孔碳的影响
• 3.3.2 表面活性剂类型对介孔碳的影响
• 3.3.3 表面活性剂添加量对介孔碳的影响
• 3.3.4 酸的种类对介孔碳的影响
• 3.3.5 不同 pH 值对介孔碳的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 软模板法制备有序介孔碳
• 4.1 引言
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.2 可溶性酚醛树脂的制备
• 4.2.3 有序介孔碳的制备
• 4.2.4 样品测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 碳化温度对介孔碳的影响
• 4.3.2 升温速率对介孔碳的影响
• 4.3.3 不同表面活性剂对介孔碳的影响
• 4.3.4 稳定剂 PVP 添加量对介孔碳的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 介孔碳电化学催化性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 实验试剂及仪器
• 5.2.2 介孔碳负载 Pt 催化剂
• 5.2.3 催化剂工作电极的制备
• 5.2.4 样品测试与表征
• 5.3 硬模板法制备的催化剂的电化学性能分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历