壳聚糖基多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以胶态SiO₂纳米粒子为模板,壳聚糖为碳源,ZnCl2为活化剂,制备了具有不同比表面积和孔体积的氮掺杂介孔碳。采用多种表征手段对碳材料的微观形貌、比表面积和孔道结构进行了表征,探究了壳聚糖与SiO₂纳米粒子的比例以及ZnCl2活化剂对碳材料孔体积和比表面积的影响。结果表明,在未使用活化剂时碳材料(CSi-1.75)的孔体积高达4.53 cm³·g^-1,但其比表面积最小(729 m²·g^-1);使用ZnCl₂作为活化剂制备的碳材料(CSi-1.75-Zn)比表面积为1032 m²·g^-1,但其孔体积下降到1.99 cm³·g^-1,且具有最多的吡啶氮和吡咯氮。在以6.0 mol·L^-1 KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,CSi-1.75-Zn的比电容为344 F·g^-1,而CSi-1.75的比电容仅为255 F·g^-1。这表明碳材料的比表面积对超级电容性能影响最大,而孔体积影响较小。电容贡献分析结果表明,相对于CSi-1.75,CSi-1.75-Zn的双电层电容和赝电容都得到了提高,这表明更大的比表面积和更多的吡啶氮和吡咯氮有利于提高碳材料的超级电容性能。     

惰性盐辅助合成介孔石墨化碳片及其电容性能

以惰性盐KCl为模板、硝酸镍为金属催化剂镍源、葡萄糖为碳源,通过碳化处理制备了介孔石墨化碳片。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和比表面测试仪对介孔石墨化碳片进行了表征。探讨了碳片形成的机理,采用三电极测试体系研究了介孔石墨化碳片电极材料的电化学性能。结果表明,10gKCl制备的碳片比表面积最大（989m²·g^-1）,在6mol·L^-1KOH电解液中,当电流密度为0.5A·g^-1时,比电容达到180F·g^-1;当电流密度达到10A·g^-1时,比电容维持在148F·g^-1,显示了电极具有较好的倍率性能;在10A·g^-1条件下,2000次循环充放电测试后电容没有发生衰减,展示了在超级电容器方面的应用潜力。     

胡萝卜基多孔炭的制备及其电化学电容行为

以冷冻干燥获得的多孔胡萝卜为炭源,经过600℃氮气氛围下炭化和KOH活化,获得了多孔结构的炭材料。采用红外光谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、循环伏安、恒流充放电和交流阻抗对多孔炭进行了微结构和电容性能研究。结果表明:通过活化处理,多孔炭的比表面积从7m²·g^-1大幅提高到147m²·g^-1。而且,活化后的多孔炭产生了414F·g^-1的最大比电容,且电流增至4A·g^-1时的电容保持率为74.5%。而未活化的多孔炭最大电容为253F·g^-1,电容保持率仅为45.1%。此外,活化后的多孔炭还具有优异的电化学稳定性。在5A·g^-1电流下循环8000圈后,其电容保持率高达94%。活化后的多孔炭在电容性能方面的极大改善与其比表面积的大幅提高及介孔的增多有密切关系。     

ZnCr双金属层状材料对废水中酸性红14的吸附性能

采用共沉淀法制备性能优异的层状材料锌铬水滑石(Zn_xCr-LDHs, x=2, 3, 4), 并探究各种因素对吸附酸性红14(AR14)的影响。XRD、ICP、FTIR及BET表征结果表明:合成的Zn_xCr-LDHs晶型良好且稳定, 具备介孔结构。实验结果表明:最佳吸附剂为Zn₃Cr-LDHs, 比表面积为101 m²·g^-1, 对AR14的最大吸附容量为484.63 mg·g^-1。同时, 降低溶液pH值和提高溶液温度均可促进AR14的吸附。该吸附过程分别符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型。结合Materials Studio 5.5软件模拟, 推测该吸附机理主要以表面吸附为主, -SO₃^-基团是反应点。     

ZnCr双金属层状材料对废水中酸性红14的吸附性能

采用共沉淀法制备性能优异的层状材料锌铬水滑石(Zn_xCr-LDHs, x=2, 3, 4), 并探究各种因素对吸附酸性红14(AR14)的影响。XRD、ICP、FTIR及BET表征结果表明：合成的Zn_xCr-LDHs晶型良好且稳定, 具备介孔结构。实验结果表明：最佳吸附剂为Zn₃Cr-LDHs, 比表面积为101 m²·g^-1, 对AR14的最大吸附容量为484.63 mg·g^-1。同时, 降低溶液pH值和提高溶液温度均可促进AR14的吸附。该吸附过程分别符合准二级动力学模型和Freundlich等温吸附模型。结合Materials Studio 5.5软件模拟, 推测该吸附机理主要以表面吸附为主, -SO₃^-基团是反应点。     

表面官能团化增强碳纳米笼超级电容器性能

以具有多级孔结构、高比表面积、良好导电性等特征的碳纳米笼（CNCs）为前体,采用硝酸氧化法在CNCs表面引入含氧官能团。以CNCs为超级电容器电极材料,在相同电流密度下,官能团化样品的比电容显著高于纯CNCs;在1A·g^-1下比电容最高可达到255F·g^-1,比纯CNCs的188F·g^-1增加了34%,这表明表面含氧官能团化能够显著提高CNCs的超级电容器比电容。在100A·g^-1的大电流密度下,硝酸氧化后CNCs的比电容保持在111~167F·g^-1,表明具有良好的耐大电流充放电性能。在10A·g^-1的电流密度下循环10000圈后,CNC-6M样品的比电容由196F·g^-1下降到176F·g^-1,样品的比电容仍保留90%,具有良好的循环稳定性。表面含氧官能团化CNCs所表现出的这种优异的超级电容器性能归因于CNCs的多尺度分级孔结构、高比表面积、良好的导电性、表面亲水性含氧官能团化带来的浸润性提高和引入的赝电容。     

常温合成硫掺杂微孔碳及其二氧化碳的吸附性能

常温下以间苯三酚和3-甲醛苯并噻吩作为原料,一步法合成了含硫酚醛树脂。在氩气保护下碳化,成功制备出了硫掺杂多孔碳（S-PC）。并利用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和氮气吸附-脱附仪对材料进行了形貌、结构和性能的表征。实验结果表明,所得样品具有较高比表面积和大量的微孔,经过调控,可以使制备的硫掺杂多孔碳的BET比表面积达到997 m²·g^-1,并使其微孔孔体积达到0.44 cm³·g^-1。得益于较高的比表面积以及其富含微孔的特性,当材料应用于二氧化碳吸附时,具有较高的CO₂吸附量,在273和298 K时分别高达5.13,3.22 mmol·g^-1,并具有良好的选择性。     

双层SiO2包覆Fe3O4复合材料的制备及其染料吸附性能

采用改进的Stober法合成了多孔结构的双层SiO₂包覆Fe₃O₄复合材料,利用TEM、XRD、VSM和氮吸附-脱附实验对其结构与性能进行分析,进而研究其对染料的吸附性能。研究结果表明,双层SiO₂包覆Fe₃O₄复合材料的比表面积和磁饱和强度分别为308 m²·g^-1和45.5 emu·g^-1;当罗丹明B的初始浓度从25 mg·L^-1提高到250 mg·L^-1时,复合材料对其饱和吸附量从24.0 mg·g^-1增大到112.4 mg·g^-1,而亚甲基蓝的初始浓度从25 mg·L^-1提高到500 mg·L^-1时,对其饱和吸附量从22.0 mg·g^-1增大到235.1 mg·g^-1;随着溶液pH值增大,复合材料对罗丹明B的饱和吸附量增加,而对亚甲基蓝的饱和吸附量变化不明显;温度在20~40 ℃范围内复合材料的吸附量较大。     

阶层多孔二氧化硅块体材料的制备与表征

以正硅酸甲酯(TMOS)为前驱体、0.01 mol·L^-1盐酸为催化剂、聚环氧乙烷(PEO, 分子量为10 000)为相分离剂、环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂、十二烷基硫酸钠(SDS)为造孔剂, 采用溶胶-凝胶伴随相分离制备阶层多孔二氧化硅块体材料, 利用差热分析(DTA)、热重分析(TG)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附/脱附装置等测试技术对所制得的阶层多孔块体进行了表征, 探究造孔剂SDS对大孔和介孔结构的影响机理。研究表明:SDS在凝胶过程中以胶束的形式进入到骨架中形成介孔孔道;当SDS为0.21 g时, 块体材料的阶层多孔结构最优, 大孔孔径为1~3 μm, 介孔孔径为4~5 nm, 比表面积为650 m²·g^-1;800 ℃热处理后, 大孔结构和骨架上的介孔基本保持, 比表面积仍能达到421 m²·g^-1, 体现出良好的热稳定性。     

介孔调变对CuY催化剂甲醇氧化羰基化反应活性的影响

碱溶液处理NaY分子筛形成的介孔有利于反应物及产物分子的扩散,调节碱溶液浓度可控制Y分子筛中的介孔结构,通过溶液离子交换法制备CuY催化剂,研究了NaY分子筛介孔结构调变对CuY催化剂催化甲醇氧化羰基化反应活性的影响。通过BET、²⁹Si-NMR、XRD、NH3/CO-TPD、H₂-TPR和TEM等表征及催化活性分析表明,在碱溶液处理过程中,NaY分子筛骨架中的Si（0Al）和Si（1Al）原子被优先脱除,且笼结构坍塌使得临近超笼连接,逐步形成直径为3.47~3.66 nm,孔容介于0.142~0.226 cm³·g^-1的介孔,在提高反应物分子和产物分子扩散性能的同时,提高了活性物种的可接近性。随着碱液浓度的增加,CuY催化剂的催化活性先升高后降低。当碱液浓度为0.2 mol·L^-1时,NaY分子筛介孔直径为3.47 nm,孔容达到最大（0.226 cm³·g^-1）,相应CuY催化剂DMC的时空收率、选择性和甲醇转化率分别达到204.0 mg·g^-1·h^-1、67.8%和14.0%,活性最佳。     

高比表面CexZr1-xO2复合氧化物的制备及表征

分别采用共沉淀法和阴离子表面活性剂模板法制备了Ce_xZr_1-xO₂复合氧化物。采用XRD、AFM、FTIR以及N₂吸附-脱附等方法对样品进行了表征。结果表明，共沉淀法合成的样品在500 ℃煅烧2 h后，生成了立方相Ce_0.75Zr_0.25O₂和四方相Ce_0.5Zr_0.5O₂固溶体，比表面积为62.1 m²·g^-1，孔体积为0.097 cm³·g^-1；以阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为模板剂，乙二胺为助模板剂合成的样品在500 ℃煅烧2 h后，生成了纯四方相Ce_0.5Zr_0.5O₂固溶体，比表面积为180 m²·g^-1，孔体积为0.182 cm³·g^-1。结果表明，以阴离子表面活性剂SDBS为模板剂，可以合成高比表面积且具有介孔结构的Ce_0.5Zr_0.5O₂复合氧化物；加入乙二胺作为助模板剂可明显的提高比表面积和孔体积。     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料（WN-W/NOMC）,作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%（w/w）时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m²·g^-1,透射电子显微镜（TEM）测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O₂饱和的0.1 mol·L^-1 KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能（ORR）,显示其起始电位为0.87 V（vs RHE）,极限电流密度为4.49 mA·cm^-2,氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%（w/w）商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳（0.99 V,5.1 mA·cm^-2）,但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源,尿素为氮源,草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3 000 m²·g^-1)的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800 的比表面积为 1 114 m2·g^-1,而同时使用草酸钾和尿素制备的样品 KNC-800 的比表面积高达 3 033 m²·g^-1。在以 6.0mol·L^-1 KOH 为电解液的三电极体系中,当电流密度为 0.5 A·g^-1时,KNC-800 的比电容为 405 F·g^-1,而 KC-800 的比电容仅为248 F·g^-1。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^-1时经过10 000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。     

胡萝卜基多孔炭的制备及其电化学电容行为研究

以冷冻干燥获得的多孔胡萝卜为炭源,经过600℃氮气氛围下炭化和KOH活化,获得了多孔结构的炭材料。采用红外光谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、循环伏安、恒流充放电和交流阻抗对多孔炭进行了微结构和电容性能研究。结果表明:通过活化处理,多孔炭的比表面积从7 m²·g^-1大幅提高到147 m²·g^-1。而且,活化后的多孔炭产生了414 F·g^-1的最大比电容,且电流增至4 A·g^-1时的电容保持率为74.5%。而未活化的多孔炭最大电容为253 F·g^-1,电容保持率仅为45.1%。此外,活化后的多孔炭还具有优异的电化学稳定性。在5 A·g^-1电流下循环8 000圈后,其电容保持率高达94%。活化后的多孔炭在电容性能方面的极大改善与其比表面积的大幅提高及介孔的增多有密切关系。     

功能化有序介孔碳对重金属离子Cu(II)、Cr(VI)的选择性吸附行为

以三嵌段共聚物F127为模板剂, 酚醛树脂为碳源, 正硅酸乙酯为硅源, 三组分共组装合成介孔碳?氧化 硅纳米复合物, 再经HF去除氧化硅, 得到有序介孔碳(OMC). X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、低温 N2吸脱附(BET)等测试表明, 所得样品具有高度有序的介孔结构, 比表面积和孔容分别为1330 m²·g^-1和2.13 cm³·g^-1, 平均孔径6.4 nm. 对其先氧化、后氯化、再胺化, 得到不同胺基接枝量的胺化介孔碳(C-NH₂(m), m为加入的乙二胺的质量(g)). 傅里叶变换红外(FT-IR)光谱表征结果证实, 胺基官能团成功接枝到有序介孔碳表面.TEM测试表明介孔碳的有序孔道结构得到了较好的保持. 以有序介孔碳、胺化介孔碳作吸附剂对Cu(II)、Cr(VI)进行选择性吸附研究. 结果表明: 功能化修饰前, 样品对Cu(II)、Cr(VI)饱和吸附量分别为213.33、241.55 mg·g^-1; 修饰后饱和吸附量可分别达到495.05、68.21 mg·g^-1. 功能化介孔碳表现了较强的选择性吸附Cu(II)的能力.     

双层SiO2包覆Fe3O4复合材料的制备及其染料吸附性能

采用改进的Stober法合成了多孔结构的双层SiO₂包覆Fe₃O₄复合材料,利用TEM、XRD、VSM和氮吸附-脱附实验对其结构与性能进行分析,进而研究其对染料的吸附性能。研究结果表明,双层SiO₂包覆Fe₃O₄复合材料的比表面积和磁饱和强度分别为308 m²·g^-1和45.5 emu·g^-1;当罗丹明B的初始浓度从25 mg·L^-1提高到250 mg·L^-1时,复合材料对其饱和吸附量从24.0 mg·g^-1增大到112.4 mg·g^-1,而亚甲基蓝的初始浓度从25 mg·L^-1提高到500 mg·L^-1时,对其饱和吸附量从22.0 mg·g^-1增大到235.1 mg·g^-1;随着溶液pH值增大,复合材料对罗丹明B的饱和吸附量增加,而对亚甲基蓝的饱和吸附量变化不明显;温度在20~40 ℃范围内复合材料的吸附量较大。     

锌镍铝水滑石微球的制备及吸附性能

以Zn（NO₃）₂·6H₂O、Ni（NO₃）₂·6H₂O、Al（NO₃）₃·9H₂O和尿素为原料,采用一步水热法制备分散性良好的三元锌镍铝水滑石（ZnNiAl-LDHs）微球。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶转换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）和氮气吸附-脱附等测试手段对样品的结构和形貌进行表征,并比较ZnNiAl-LDHs和ZnAl-LDHs对甲基橙（MO）的吸附性能。结果表明,ZnNiAl-LDHs是由纳米片组成、具有3D结构的微球,粒径为1~2.5 μm,比表面积为156 m²·g^-1,远大于ZnAl-LDHs的比表面积38 m²·g^-1;ZnNiAl-LDHs和ZnAl-LDHs对甲基橙的饱和吸附量分别为329.60和143.47 mg·g^-1,ZnNiAl-LDHs表现出更强的吸附能力,其吸附等温线和吸附动力学分别符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型。     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

酸处理对CuY催化剂孔结构及氧化羰基化性能的影响

对NaY分子筛(n_Si/n_Al=2.65)进行了草酸脱铝处理并作为载体采用液相离子交换法制备CuY催化剂, 应用于常压甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应。NaY分子筛及其CuY催化剂通过N₂低温吸附-脱附、透射电子显微镜、X射线衍射、²⁹Si固体核磁共振、NH₃吸附程序升温脱附、吡啶吸附红外光谱、H₂程序升温还原、原子吸收等方法进行表征。研究结果表明, 酸处理NaY分子筛后, 骨架铝被脱除, 导致骨架n_Si/n_Al比增加、相对结晶度降低并产生介孔, 有利于产物分子的扩散, 从而影响催化活性。采用4 h、2 mol·L^-1草酸处理NaY分子筛作为载体制备的CuY催化剂显示出较高的催化性能, DMC时空收率和甲醇转化率分别从103.6 mg·g^-1·h^-1和6.3%增加到184.9 mg·g^-1·h^-1和10.2%。产生的介孔能够促进催化剂中铜活性位的可接近性及反应物分子和产物分子的扩散。     

酸处理对CuY催化剂孔结构及氧化羰基化性能的影响

对NaY分子筛(n_Si/n_Al=2.65)进行了草酸脱铝处理并作为载体采用液相离子交换法制备CuY催化剂,应用于常压甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应。NaY分子筛及其CuY催化剂通过N₂低温吸附-脱附、透射电子显微镜、X射线衍射、²⁹Si固体核磁共振、NH₃吸附程序升温脱附、吡啶吸附红外光谱、H₂程序升温还原、原子吸收等方法进行表征。研究结果表明,酸处理NaY分子筛后,骨架铝被脱除,导致骨架n_Si/n_Al比增加、相对结晶度降低并产生介孔,有利于产物分子的扩散,从而影响催化活性。采用4 h、2 mol·L^-1草酸处理NaY分子筛作为载体制备的CuY催化剂显示出较高的催化性能,DMC时空收率和甲醇转化率分别从103.6 mg·g^-1·h^-1和6.3%增加到184.9 mg·g^-1·h^-1和10.2%。产生的介孔能够促进催化剂中铜活性位的可接近性及反应物分子和产物分子的扩散。