基于可再生植物多酚的介孔炭材料合成及其环境和能源应用

介孔炭材料具有高比表面积、可调的组成和孔结构、良好的化学稳定性和导电性,被广泛用于环境、催化、能源等领域.碳源是介孔炭合成的关键.植物多酚,作为一种生物质碳源,具有低价、无毒、可再生的优点.且植物多酚具有黏附性和金属络合能力,被广泛用于合成介孔炭复合材料.尽管该领域已取得巨大进展,但关于植物多酚衍生介孔炭的综述还很少....     

介孔炭材料及介孔炭/氧化硅复合材料对大分子有机污染物的吸附

介孔炭材料与活性炭相比具有较大的孔体积和孔径,高的比表面积以及规则的孔道结构,而介孔炭/氧化硅复合材料兼顾了活性炭与介孔材料的优点,因此在吸附大分子有机污染物方面有很好的应用前景。笔者综述了近年来介孔炭,负载/修饰后的介孔炭,介孔炭/氧化硅复合材料的制备和最新研究进展。在制备方面,根据其制备机理的不同可分为硬模板法和软模板法,制备出有序的介孔炭与介孔炭/氧化硅复合材料。在应用方面,重点介绍了介孔炭材料和介孔炭/氧化硅复合材料对大分子有机污染物的吸附性能。进而对介孔炭/氧化硅复合材料在吸附方面的应用进行了展望。     

活化方式对有序介孔炭孔结构及电化学性能的影响

采用软模板法合成有序介孔炭(OMC),并通过不同的活化方式对OMC进行活化处理,以制备出具有较高比表面积的微/介孔炭材料。利用小角X射线衍射、氮气吸附、扫描及透射电镜对活化前后介孔炭的孔结构进行表征;循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等方法测试其电化学性能。探讨不同活化方式对介孔炭孔结构和电化学性能的影响。结果表明:高温活化在保持介孔炭的有序性及其二维六角结构的基础上,在其孔隙结构中形成了大量微孔结构,有效地提高了介孔炭的孔体积及比表面积,比表面积由674 m~2/g提高到2 404 m~2/g,孔体积由0.98 cm~3/g提高到2.24 cm~3/g,并进一步提高了介孔炭的电化学性能,在500 mA/g电流密度下,其比电容可达175 F/g。活化方式对活化后的介孔炭的孔结构及电化学性能有很大的影响。     

高性能炭电极材料的制备和电化学性能研究

以胡桃壳为前躯体,采用ZnCl2化学活化法制备炭电极材料,研究了活化剂与果壳的不同混合质量比例对炭材料性质的影响,用氮气吸附和傅立叶红外表征活性炭材料的比表面积、孔结构和表面性质,结果表明:活性炭材料表面存在着含氧官能团,为一种高微孔无定形炭材料;以制备的活性炭为电极材料,KOH为电解液构成超级电容器,采用循环伏安、恒流充放电等电化学方法研究了其电化学性能,结果表明:制备的活性炭电极材料表现出理想的电化学电容行为,比电容高达271.0F/g,漏电流和等效串联电阻分别只有0.25mA和0.39Ω,稳定性很高,循环充放电5000次后,电容量仍保持88%以上.     

磺酸基有序介孔炭的一步合成及其催化性能

采用一步法直接制备磺酸基有序介孔炭材料,利用FT-IR、酸量、XRD、TEM和BET等对其结构与形貌进行表征,以苯甲醛与原甲酸三甲酯的缩醛反应为模型反应,并考察其催化性能。结果表明,在原料酚醛树脂∶硫酸∶F127质量比为1∶2∶0.3,炭化温度为600℃时,所制磺酸基介孔炭呈有序结构、较大的比表面积和均匀的孔径。采用上述条件合成介孔炭材料作催化剂时,反应收率可达87.1%,明显高于相同条件下传统分子筛固体酸催化剂HY与未加入磺酸基的介孔炭材料的催化效果。     

用软模板法制备有序介孔炭材料过程的研究

采用软模板法合成有序介孔炭材料,并通过热重分析、低温氮吸附-脱附测量、小角XRD、透射电镜和傅里叶变换红外光谱等分析表征手段,分别考察了有机模板剂脱除和炭化过程对生成有序介孔炭结构和性能的影响。研究结果表明,在N2气氛下350℃焙烧5h可有效脱除有机模板剂,获得具有有序介孔结构的炭材料前驱体;该材料在500~800℃炭化后可生成有序介孔炭材料,其孔径分布变化不大,但比表面积和孔容有较大程度提高,提高部分主要集中分布在微孔区,最佳炭化温度为600℃。     

1,3,5-三甲苯扩孔改性硼掺杂有序介孔炭

以F108为模板剂,1,3,5-三甲苯(TMB)为有机扩孔剂,采用溶剂挥发诱导自组装的方法成功制备出了具有较大孔径、比表面积和有序性高的硼掺杂有序介孔炭。探究了扩孔剂用量对硼掺杂介孔炭结构的影响,并对其电化学性能和扩孔机理进行了分析。结果表明,当扩孔剂与模板剂的用量比为1.5时,所得的介孔炭TMB-1.5的孔径最大(4.2nm),比表面积最高(666m~2/g)。相对于未扩孔改性的介孔炭,孔径和比表面积分别提高了5%和10%。扩孔改性后的硼掺杂介孔炭具有良好的电化学性能,在0.2A/g电流密度下的比电容高达235F/g。     

高比表面积多孔炭质材料的孔结构特性及对苯酚的吸附

将中草药药渣微波干燥后经碳化、KOH活化制备出具有较高比表面积的多孔炭质材料。采用比表面积及孔隙分析仪测定其N_2吸附脱附等温线;采用扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪对介孔材料表面显微结构、及物相变化进行了表征,并分析了多孔炭材料对苯酚的吸附性能。研究结果表明,当炭碱质量比1∶4时,制备的改性多孔炭材料具有丰富的多孔结构,其比表面积达2079.25m~2,介孔率达到79.10%;多孔炭材料对苯酚的饱和吸附量达到187.5mg/g。苯酚在多孔炭材料上的吸附行为符合Langmuir吸附模型。     

以间苯二酚-甲醛溶胶和MCM-48原粉制备有序介孔炭分子筛

以含有机模板的介孔纯硅分子筛MCM- 48原粉为模板,以间苯二酚(R)-甲醛溶胶为炭源制备了有序介孔炭分子筛.考察了w(R)/w(MCM- 48)和w(R)/w(H2O)对合成介孔炭分子筛的影响.产物用N2吸附/脱附、XRD、SEM、TEM和TG等手段进行了表征.结果表明,w(R)/w(MCM- 48)和w(R)/w(H2O)对所得到的介孔炭分子筛的有序性和比表面积有较大的影响.优化的w(R)/w(MCM- 48)比为0.50～0.65、w(R)/w(H2O)比为0.15～0.35,此时,能形成比表面积大于1125m2/g、平均孔径在2.2～2.4nm、具有规则介孔结构的炭分子筛,且这种炭分子筛具有高的热稳定性.     

超级电容器用聚苯胺/有序介孔炭复合电极的性能

利用原位聚合法制备了聚苯胺/有序介孔炭复合材料.通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试考察了不同聚苯胺含量对聚苯胺/有序介孔炭复合材料电化学性能的影响.研究表明:与纯的有序介孔炭和聚苯胺相比,聚苯胺/有序介孔炭复合材料具有更高的比容量,良好的稳定性和充放电循环性能.当聚苯胺质量分数为60%,电流密度为0.1A·g-1时,比容量可以达到409F·g-1.