多孔碳材料的设计制备与吸附性能

多孔碳材料的设计制备与吸附性能自工业革命以来，大气中CO2的浓度增长了近35%，达到了390ppm。大气中CO2的浓度的迅速增加，是目前温室效应加剧的一个重要的因素。为了减缓温室效应，降低大气中CO2的浓度迫在眉睫。大量的CO2释放源，如化石燃料为基础的发电厂，是降低CO2浓度的首要目标。近年来，多孔碳材料因为具有很高的比表面积，大的孔体积，高的吸附量，高的化学稳定性，价格便宜，以及便于修饰的特性被称赞为第二代吸附材料。然而，单纯的活性炭对CO2的吸附量不是特别高，并且选择性也很低，主要是因为CO2气体分子和活性炭是物理吸附，分子间作用力弱所导致的。为了加强CO2分子和吸附剂表面的作用力，在碳骨架中掺入碱性位点如电子供体N原子，提高表面的极性是非常有效的。到目前为止在碳骨架中掺入氮碱性位的方法有很多：一种是高温条件下，在氨气的气氛中掺氮；另一种方法是在碳的前躯体中加入含氮的化合物。后一种方法比前一种方法有很明显的优势，主要是方法简单，而且能获得较高的氮含量。在本论文中，我们通过简单一步法合成氮掺杂的碳材料进行CO2的捕捉和分离性能的研究，并且都展现出较高的CO2吸附容量和优异的选择性分离性能。1.利用生物基材料海藻酸(AA)作为碳源，在180oC溶剂热的条件下，加入膨胀剂戊二醛和吡咯，乙二胺作为氮源，合成了氮掺杂的碳前躯体，然后经过冷冻干燥和在混合气体Ar和CO2(体积比是3:1)的氛围中，不同温度下物理活化，得到了一系列的氮掺杂的多孔碳材料。这一系列材料表现了优异的CO2吸附性质，其中样品AA-950，在298K和20bar条件下，吸附量高达16.20mmolg-1。2.新型H3PO4-HNO3混合酸作为活化剂，生物质材料海藻酸钠作为碳源合成了一系列氮掺杂的多孔碳材料。这些材料孔径分布非常集中，并且含有大量的吡咯型氮物种。尤其是样品SA-2N-P，它的比表面积约为1740m2g-1。在压力为1atm时，在不同温度273K和298K，CO2的吸附量分别是8.99mmolg-1和4.57mmolg-1。此外，在CO2吸附的初始阶段，CO2的吸附热是43kJmol-1，在吸附饱和的阶段，CO2的吸附热仍然是是32kJmol-1。在25°C时，CO2浓度很低的情况下(0.15atm)，CO2的吸附容量达到66.44mg(CO2)/g(吸附剂)，这个条件是非常适和烟道气中CO2的捕获和分离。通过理性溶液吸附理论(IAST)得出在混合气体(v(N2):v(CO2))=85:15中的选择性曲线。3.在酸性条件下，我们通过简单的溶剂挥发自组装的方法(EIAS)成功合成了间苯二酚甲醛树脂。在惰性气体N2中进行进一步煅烧，得到了一系列氮掺杂的多孔碳材料。在合成的过程中，HNO3既作为形成聚合物的催化剂，又是一种氮源。合成的氮掺杂的多孔碳材料具有很高的比表面积和含氮量最高达6.73wt%。样品CN-950的比表面积是1979m2g-1，在1atm和298K的条件下，吸附量高达4.3mmolg-1。更重要的是，样品CN-950同时也表现出了很好的CO2/N2的选择性。4.使用溶剂挥发自组装的方法，以乙酰丙酮镁作为镁源，合成了一系列碱性很强的MgO/C的纳米复合材料。结晶度很高的立方晶系的MgO纳米粒子均匀的分布在多孔碳的表面。这些复合材料具有较高的比表面积(最大值约1138m2g-1)和孔体积(最大值约是0.616cm-3g-1)。我们对MgO/C纳米复合材料进行了甲醇的内部蒸汽吸附测试，最大的吸附量是11.90