多孔碳材料的設(shè)計(jì)制備與吸附性能

多孔碳材料的設(shè)計(jì)制備與吸附性能自工業(yè)革命以來，大氣中CO2的濃度增長了近35%，達(dá)到了390ppm。大氣中CO2的濃度的迅速增加，是目前溫室效應(yīng)加劇的一個重要的因素。為了減緩溫室效應(yīng)，降低大氣中CO2的濃度迫在眉睫。大量的CO2釋放源，如化石燃料為基礎(chǔ)的發(fā)電廠，是降低CO2濃度的首要目標(biāo)。近年來，多孔碳材料因?yàn)榫哂泻芨叩谋缺砻娣e，大的孔體積，高的吸附量，高的化學(xué)穩(wěn)定性，價格便宜，以及便于修飾的特性被稱贊為第二代吸附材料。然而，單純的活性炭對CO2的吸附量不是特別高，并且選擇性也很低，主要是因?yàn)镃O2氣體分子和活性炭是物理吸附，分子間作用力弱所導(dǎo)致的。為了加強(qiáng)CO2分子和吸附劑表面的作用力，在碳骨架中摻入堿性位點(diǎn)如電子供體N原子，提高表面的極性是非常有效的。到目前為止在碳骨架中摻入氮堿性位的方法有很多：一種是高溫條件下，在氨氣的氣氛中摻氮；另一種方法是在碳的前軀體中加入含氮的化合物。后一種方法比前一種方法有很明顯的優(yōu)勢，主要是方法簡單，而且能獲得較高的氮含量。在本論文中，我們通過簡單一步法合成氮摻雜的碳材料進(jìn)行CO2的捕捉和分離性能的研究，并且都展現(xiàn)出較高的CO2吸附容量和優(yōu)異的選擇性分離性能。1.利用生物基材料海藻酸(AA)作為碳源，在180oC溶劑熱的條件下，加入膨脹劑戊二醛和吡咯，乙二胺作為氮源，合成了氮摻雜的碳前軀體，然后經(jīng)過冷凍干燥和在混合氣體Ar和CO2(體積比是3:1)的氛圍中，不同溫度下物理活化，得到了一系列的氮摻雜的多孔碳材料。這一系列材料表現(xiàn)了優(yōu)異的CO2吸附性質(zhì)，其中樣品AA-950，在298K和20bar條件下，吸附量高達(dá)16.20mmolg-1。2.新型H3PO4-HNO3混合酸作為活化劑，生物質(zhì)材料海藻酸鈉作為碳源合成了一系列氮摻雜的多孔碳材料。這些材料孔徑分布非常集中，并且含有大量的吡咯型氮物種。尤其是樣品SA-2N-P，它的比表面積約為1740m2g-1。在壓力為1atm時，在不同溫度273K和298K，CO2的吸附量分別是8.99mmolg-1和4.57mmolg-1。此外，在CO2吸附的初始階段，CO2的吸附熱是43kJmol-1，在吸附飽和的階段，CO2的吸附熱仍然是是32kJmol-1。在25°C時，CO2濃度很低的情況下(0.15atm)，CO2的吸附容量達(dá)到66.44mg(CO2)/g(吸附劑)，這個條件是非常適和煙道氣中CO2的捕獲和分離。通過理性溶液吸附理論(IAST)得出在混合氣體(v(N2):v(CO2))=85:15中的選擇性曲線。3.在酸性條件下，我們通過簡單的溶劑揮發(fā)自組裝的方法(EIAS)成功合成了間苯二酚甲醛樹脂。在惰性氣體N2中進(jìn)行進(jìn)一步煅燒，得到了一系列氮摻雜的多孔碳材料。在合成的過程中，HNO3既作為形成聚合物的催化劑，又是一種氮源。合成的氮摻雜的多孔碳材料具有很高的比表面積和含氮量最高達(dá)6.73wt%。樣品CN-950的比表面積是1979m2g-1，在1atm和298K的條件下，吸附量高達(dá)4.3mmolg-1。更重要的是，樣品CN-950同時也表現(xiàn)出了很好的CO2/N2的選擇性。4.使用溶劑揮發(fā)自組裝的方法，以乙酰丙酮鎂作為鎂源，合成了一系列堿性很強(qiáng)的MgO/C的納米復(fù)合材料。結(jié)晶度很高的立方晶系的MgO納米粒子均勻的分布在多孔碳的表面。這些復(fù)合材料具有較高的比表面積(最大值約1138m2g-1)和孔體積(最大值約是0.616cm-3g-1)。我們對MgO/C納米復(fù)合材料進(jìn)行了甲醇的內(nèi)部蒸汽吸附測試，最大的吸附量是11.90