介孔碳材料的制备和表征

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有序介孔碳(Ordered Mesoporous Carbon, OMC)是一种新型的非硅基介孔材料。由于其特有的组成与结构、高的比表面积、有序的孔径分布及其高的热力学稳定和化学惰性,在催化、吸附分离、能量储存等领域具有很重要的应用前景。这也使得有序介孔碳材料的合成及其应用成为了新的研究热点。本论文基于有机-有机自组装的“软模板”方法合成一系列多孔的碳材料。主要包括以下几个方面:   采用三嵌段的共聚物(Pluronic F127,EO106PO70EO106和Pluronic P123,EO30PO70EO30)作模板剂,间苯三酚和甲醛的聚合物为廉价的碳前躯体,在弱酸性条件下,通过溶剂挥发诱导自组装的方法制备出了具有超大介孔孔径的碳材料。在P123的体系中,加入扩孔剂癸烷,合成出具有蠕虫结构的碳材料(PDC-600),其孔径也从11.5nm扩大到14.7nm。以F127做结构导向剂合成出具有超大介孔孔径(17.2nm)的碳材料FC-600。在合成过程中,氢键作用在增强表面活性剂和碳的前驱体之间的相互作用上发挥了重要的作用。   混合表面活性剂体系相对于单一的表面活性剂来说具有更加丰富的胶束行为,基于此对表面活性剂复配体系对介孔碳介观结构进行了考察。以非离子表面活性剂P123和阴离子表面活性剂SDS(十二烷基硫酸钠)复混后表面活性剂体系做模板剂,以低聚的酚醛树脂作碳的前驱体,在水溶液中通过有机-有机自组装合成出一系列具有超微孔的有序碳材料。通过增加SDS在混合表面活性剂中的含量,即随着亲水/疏水体积比的减小,所合成的碳材料的结构从二维六方P6mm向体心立方Im3m转变。当SDS/P123的比例小于2.0时,碳材料为P6mm二维六方结构;当SDS/P123的比例在2.9到3.8时,介孔碳材料发生相转变,变为体心立方的Im3m结构。   在低温条件下(50℃),以低廉的RF树脂为碳前驱体,三嵌段的F127为结构导向剂,通过溶液相中的autoclaving反应,合成出具有二维六方的介孔孔道结构的无破裂大块状介孔碳材料,孔径在5.0nm左右,比表面积可达624m2g-l,其宏观尺寸可以达到几个厘米,并且通过选择不同尺寸的反应釜可以得到具有不同的宏观形貌的碳材料。同时,为了进行对比,应用EISA方法也合成出了大块碳材料,但最终得到蠕虫状的介观结构。与溶剂挥发诱导自组装相比,autoclaving方法在制备大块介孔碳材料领域具有更好的可操作性和可控性。   在酸性条件下合成介孔二氧化硅/碳材料及具有超大比表面的介孔碳材料。以三嵌段共聚物PEO-PPO-PEO(F127)为模板剂,resorcinol-formaldehyde型酚醛树脂为高分子前驱体,氧化硅寡聚体为无机前驱体,通过溶剂挥发诱导三元共组装的方法,将介孔无机材料的合成体系引入到介孔高分子材料的合成体系中,制备出介孔高分子-氧化硅纳米复合材料,经过高温处理后可以转化为相应的碳-氧化硅纳米复合材料。HF刻蚀除去碳-氧化硅纳米复合材料中氧化硅组成之后,得到具有较大的孔径(12.9nm)、孔容(1.52cm3/g)以及高比表面(2251m2/g)的介孔碳材料。
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