基于蜜胺泡绵多孔材料的设计及在电化学储能和油水分离中的应用

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蜜胺泡绵(Melamine Sponge,MS)是一种具有高孔隙率、低密度结构且绿色环保、价格低廉的商业化产品,其优异的三维孔道结构及优良的机械性能,使其成为具有前景的多孔材料制备载体。此外,直接炭化蜜胺泡绵可得到具有三维孔道的多孔炭,并保持原有高强机械性能,使其成为柔性多孔炭材料设计的热点之一。但是,蜜胺泡绵本身存在比表面积低,缺乏微孔,导电性差以及两亲性(亲水亲油)等特点,限制了其在很多领域如电化学和油水分离等方面的应用。为提高蜜胺泡绵在这些领域中的应用,本论文通过设计一系列的基于蜜胺泡绵的多孔材料,来克服上述纯蜜胺泡绵本身的缺点,从而提高相应的性能,促进蜜胺泡绵在不同领域,尤其是电化学和油水分离中的应用。论文具体内容如下:1.糠醇负载蜜胺泡绵的双炭层多孔材料的合成及超电容性能提升。直接炭化蜜胺泡绵存在比表面积低、缺乏微孔、导电性差等特点,直接作为电极材料比电容较低。为解决上述问题,通过浸渍法在蜜胺泡绵表面负载糠醇,经炭化后得到双炭层结构,即内层为炭化蜜胺泡绵骨架,外层为炭化糠醇。实验结果表明,糠醇改性后的蜜胺泡绵,其在5 mV/s的扫速下比电容为184 F/g,远远高于炭化蜜胺泡绵(在5 mV/s时比电容为47.3 F/g)。实验表征分析表明,糠醇负载可有效抑制炭化过程氮损失,提高微孔含量和得炭率,与纯炭化蜜胺泡绵相比,可有效提高复合材料的导电性、比表面积以及微孔含量,从而提高其电化学性能。2.基于沸石咪唑酯骨架材料(Co-ZIF-L)和炭化蜜胺泡绵的多孔柔性电极的设计及电化学性能研究。该部分通过在炭化蜜胺泡绵上负载Co-ZIF-L,经过炭化和KOH活化处理,得到了具有多级孔结构的高柔韧性炭电极。实验结果表明,Co-ZIF-L改性后的蜜胺泡绵,其在电流密度为1 A/g时的比电容为238 F/g,远高于纯炭化蜜胺泡绵的电化学性能(1 A/g时的比电容为92 F/g)。其性能提升的主要原因是Co-ZIF-L中Co在炭化过程中促进材料石墨化程度,提高材料的导电性,以及炭化ZIF-L本身提供大量的微孔。此外,由于炭化MS优异的机械性能,所得样品可直接用作柔性电极,并在不同的弯曲状态下保持较高的电化学性能(在90~o和180~o弯曲时比电容的保有率分别为99%和96.1%)。将材料组装成全固态超级电容器时,在5 mV/s时比容量为149 F/g,并且在宽工作电压窗口(0-1.8 V)下展现出较高稳定性以及出色的柔韧性,这使得该材料可广泛应用于便携式和可穿戴设备的电极材料。3.具有水下疏油特性的Co-ZIF-L@MS多孔柔性材料的设计及油水分离应用。纯蜜胺泡绵具有两亲性,因此不具备油水分离效果。通过在MS表面引入Co-ZIF-L,可使材料具有水下疏油特性。实验结果表明,MS@Co-ZIF-L对各种油均表现出优异的油水分离性能(分离效率高于99.2%),并具有良好的长期稳定性(60圈循环后通量和分离效率均未降低)。其具有高效水下疏油特性的原因是,在水预处理ZIF-L@MS后,水会通过毛细效应吸收并进入材料表面孔道,因此使其具有水下疏油特性。此外,MS@Co-ZIF-L也能对水包油乳液进行有效分离。除了高效的分离性能外,由于其优异的柔性,MS@Co-ZIF-L还可以制备成不同形式,例如膜和过滤头等,用于进行不同场合下的油/水分离。综上,本论文主要以蜜胺泡绵为载体,设计一系列多孔材料,使其具有较好的电化学性能以及油水分离性能。通过该论文的研究,不仅为多孔材料的设计提供新的思路和实验参考,还扩展了蜜胺泡绵在化工领域中的应用。
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