一步碳化多孔有机材料制备多孔碳及其性能的研究

开发并利用清洁的、可再生的能源是解决环境污染问题和能源短缺的有效方法.碳化含碳量较高的多孔有机材料制备的多孔碳,具有较高的比表面积,良好的物化稳定性,优良的机械性能等优点,在清洁能源的存储、分离、能量的存储与转化领域有广泛的应用.常见的由多孔有机材料制备多孔碳的方法主要是非活化碳化法和活化碳化法.不同的制备方法得到的多孔碳形貌,孔结构各不形同.多孔碳材料自身的结构性质可以影响其应用.合理的设计并调控多孔碳的“孔”,发挥孔尺寸的“筛分效应”可以有效地对气体进行存储和分离.在锂电等能量转化领域,“限域效应”是影响锂电性能的重要因素.多孔碳材料中较小的孔可以限域活性成分,而较大的孔可以快速传输,两种孔的协同效应可以使锂电性能大大提升.本综述系统地归纳了一步碳化多孔有机材料制备多孔碳的方法及其优势,详细地介绍了其在气体吸附、存储、分离以及电化学等领域的应用.最后,结合多孔碳材料的研究现状,提出由多孔有机材料制备多孔碳材料所面临的挑战,同时也展望了多孔碳材料的应用前景.     

金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望（英文）

金属有机骨架材料(MOF)又称多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属团簇和有机配体通过配位作用形成的新型晶态多孔材料.近30年, MOF材料在催化领域受到了广泛的关注和研究.MOF的多孔结构和高比表面积可以实现催化位点的空间分离并促进物质传输,从而提高催化活性.MOF可以像均相催化剂一样在原子精度进行灵活剪裁和调控,同时具有非均相催化剂易分离回收的优势.通过结合均相和非均相催化剂的优点, MOF表现出了诸多优于传统催化材料的独特性质.本文首先简要介绍了MOF基催化材料设计的基本原理和MOF应用于催化的独特性,其次对MOF在催化中面临的瓶颈和局限进行了论述,最后指出了MOF在未来催化领域中潜在的独特应用前景.MOF材料中金属节点、有机配体和孔空间都可以进行灵活功能化,从而赋予催化活性.金属节点上的不饱和配位点可作为路易斯酸催化中心.配体可以通过修饰不同功能基团从而赋予催化活性.此外,金属节点和有机配体还可以通过接枝外来催化位点进行功能化.更重要的是, MOF孔空间可以限域客体活性单元,极大扩展了活性位的来源.MOF还可以作为前驱体通过化学转化获得多孔碳、金属化合物及其复合材料.MOF的高...     

MOF-COF框架杂化材料

金属有机框架(MOF)和共价有机框架(COF)材料是两种多孔的晶态材料,具备较大的比表面积、高的孔隙率,结构合成修饰方法丰富,因此在析氢、析氧、CO₂还原、有机物降解、气体分离等多个方面都有应用前景。但MOF、COF自身仍有许多缺点,如MOF在水溶液中不稳定,结构易塌陷,COF无金属节点,功能较简单,催化性能有待进一步提高等。近年来,MOF-COF核壳杂化材料结合两种材料的优势解决各自的一些缺陷,有广泛的应用潜力,作为新的发展方向受到了关注。本文从MOF-COF杂化材料的类型、合成方法、应用等三个方面综述了近些年来MOF-COF材料的发展状况,并做出了展望。     

基于聚多巴胺的氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能

多孔碳材料由于高的比表面积、优异的电子传导率、良好的化学稳定性等优点在超级电容器电极材料领域被广泛研究。 碳材料的组成及表面孔结构直接影响其电化学性能,为进一步提高碳材料的电容性能,本文首次以聚多巴胺球为前体,KOH为活化剂,通过高温碳化成功制备了良好电化学性能的氮掺杂多孔碳材料。 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱等对所制备的氮掺杂多孔碳材料进行了形貌及结构组成的表征。 在6 mol/L KOH电解液中, 采用循环伏安、恒电流充放电对多孔碳材料的电化学性能进行了研究。 结果表明,由于双电层电容和赝电容的协同作用,在电流密度为1 A/g时,材料的比电容可达269 F/g,充放电循环1000圈后电容仍可保留初始值的93.5%。     

氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料

具有高比表面积、良好导电性的多孔碳材料在超级电容器中有着广泛的应用前景. 大量的研究工作致力于通过物理或者化学手段合成并调控多孔材料的微观结构. 在众多多孔碳材料的制备方式中,氢氧化钾作为一种高效的活化剂,常用于制备具有良好孔径分布和高比表面积多孔碳电极材料. 本文主要结合作者课题组的研究工作,着重概述利用氢氧化钾活化sp²碳纳米材料制备多孔碳材料的机理过程、结构形貌的转变以及所得材料的电化学性能,希望对发展新型的高性能基多孔碳材料的超级电容器电极材料有所帮助.     

多孔石墨烯材料

多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料,是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的存在促进了物质运输效率的提高,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子、分子的作用。更重要的是,孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙,促进了石墨烯在电子器件领域的应用。本文阐述了多孔石墨烯的一些基本性质和特性,并对其理论研究、制备方法和应用的研究进展进行了评述。其中,多孔石墨烯的制备方法主要包括光刻法、催化刻蚀法、化学气相沉积法、湿法刻蚀、碳热还原法、溶剂热法和自由基攻击法。多孔石墨烯优异的特性使其在能源储存与转换材料(锂离子电池、超级电容器、燃料电池等)、DNA分子检测、化学传感器、场效应晶体管、分子筛和海水淡化等领域具有非常广阔的应用前景。     

多孔碳材料的模板法制备、活化处理及储能应用

简要介绍了广义模板法制备多孔碳材料的研究现状,并进一步阐述了应用传统活化法对模板法制备的多孔碳材料进行结构调控. 最后,详细介绍了多孔碳材料在氢气吸附以及超级电容器用电极材料等储能领域的应用.     

掺杂多孔碳材料催化醇选择性氧化研究进展

羰基化合物是重要的有机中间体,醇类化合物的选择性氧化是合成羰基化合物的一类重要反应.在这类反应中,掺杂多孔碳材料因其独特的性能可直接作为催化剂或者催化剂载体.我们综述了单一掺杂多孔碳材料、共掺杂多孔碳材料和负载型掺杂多孔碳材料的制备方法,可能存在的活性位点和催化机理.最后,讨论了掺杂多孔碳材料目前需要解决的问题,指出设计绿色高效的负载非贵金属的掺杂多孔碳材料是未来的一个重要发展方向.     

金属有机框架材料对Cr(Ⅵ)离子的吸附去除研究进展

重金属离子污染问题一直备受关注。开发利用多孔材料吸附去除水中重金属离子一直是材料、环境等相关学科领域的研究热点之一。金属有机框架材料(metal?organic frameworks,MOFs)是一类新型的多孔材料,具有结构多样、比表面积大、孔径可调、孔表面特征易设计调控等特点,在气体分离、催化、传感等领域表现出极大的应用潜力。近年来,高稳定MOF材料的构筑取得了许多重大突破,大量研究工作探索了这类材料在水中的应用,包括水中重金属离子的吸附去除。Cr(Ⅵ)离子是一类毒性大、分布广的重金属离子,不同条件下存在形态多样,其吸附去除研究具有理论和实际意义。本文主要综述了近年来利用MOF材料吸附去除水中Cr(Ⅵ)离子的研究工作,并将这些材料归属为:(1)高稳定的锆基MOF、(2)阳离子框架型MOF、(3)后修饰的MOF及(4)MOF基复合材料4类;也对这些材料的Cr(Ⅵ)离子吸附机理、吸附量、材料再生性等进行了概括;最后分析了MOF材料在重金属离子吸附去除实际应用上存在的问题并展望了今后的重点研究方向。     

花状Zn-MOF衍生碳@MoS2复合材料制备及吸波性能

采用Zn-MOF(MOF为金属有机骨架)制备纳米多孔碳材料,通过自组装法将多孔碳与花状MoS₂结合,制备出具有规整有序结构的花状Zn-MOF衍生碳@MoS₂复合吸波材料。基于Zn-MOF衍生纳米多孔碳的高孔隙率、大比表面积,MoS₂的花状结构引起的电磁波多次反射和散射,以及MoS₂和Zn-MOF衍生碳之间存在的强极化效应、良好的阻抗匹配和协同作用,Zn-MOF衍生碳@MoS₂在频率为9.28 GHz时的最佳反射损耗达到-49.68 dB,表现出优异的电磁波吸收性能。     

木质素多孔碳材料在电化学储能中的应用

木质素可再生资源成本低、含碳量高、芳香度高和易集中收集,被认为是具备潜力大规模工业化制备新型多孔碳材料的重要碳质原料之一,对缓解化石资源消耗及可持续发展具有重大的意义。多孔碳材料具有较高的电导率、较高的比表面积、丰富的孔道结构及良好的稳定性等特点,作为储能材料有广阔的应用前景。本文介绍了模板法、活化法及水热法制备木质素多孔碳材料的国内外最新研究进展,详细总结了不同热解工艺参数对木质素多孔碳材料微观结构的影响规律,重点阐述了其作为锂离子电池、钠离子电池和超级电容器电极材料的研究进展。针对功能化木质素多孔碳材料制备工艺复杂及储能性能差等瓶颈问题,提出离子/电子扩散动力学的优化、多种储能机制的协同作用和绿色、简便制备工艺的开发等研究策略,指出研发先进炭化技术构筑合理分级孔径结构,精准调控适宜层间距且高度有序排列碳层、功能化改性表面微环境及直接构建炭化工艺参数与电化学性能之间的因效关系是制备高储能性能木质素多孔碳材料的未来研究方向。     

以MOFs为前驱体的多孔金属氧化物催化剂研究进展

多孔金属氧化物具有高比表面积、大孔径、特殊的形貌和结构特性,广泛应用于催化、锂离子电池、太阳能电池、气敏传感器等领域。金属有机骨架材料(MOFs)是一类具有周期性网络结构的新型多孔晶体材料,在气体存储、气体分离、催化等领域具有重要的应用价值。近年来,以MOFs为前驱体制备多孔碳和多孔金属氧化物成为MOFs应用领域一个新的研究热点。本文主要综述了以MOFs为前驱体制备的多孔金属氧化物和多孔金属氧化物/碳复合物在CO氧化、催化产氢、异丁烷脱氢、环已烯氧化、醇直接氧化为酯、醛氧化酰胺化反应、光催化降解有机物和氧还原反应等方面的应用。     

多孔碳材料的研究进展

多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景.多孔碳材料的制备方法和前驱体的选择直接决定了其性能及使用范围.聚合物结构丰富,通过碳化不同结构的聚合物制备多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究热点之一.本文详细综述了目前多孔碳材料的主要制备方法以及聚合物作为碳前驱体,其结构与多孔碳材料结构与性能之间的构效关系.最后,对多孔碳材料的未来发展方向做了进一步的展望.     

低碳烯烃高效分离新型多孔材料的研究进展

低碳烯烃(乙烯、丙烯等)作为石油化工的基本原料是现代化学工业的基石,也是我国国民经济发展的重要组成部分。然而,其生产过程常伴随着分离困难且能耗较高等问题。金属有机骨架(MOF)材料作为第三代新型多孔材料,因其具有高孔隙率、大比表面积、孔尺寸高度可调、结构多样等优点,在低碳烯烃分离领域表现出巨大的潜能。本文综述了MOF材料在低碳烯烃吸附分离领域的研究现状,包括MOF的分离机理和针对不同分离任务所采用的孔径调节、配体修饰、吸附位点构筑等策略,重点总结了本课题组近几年关于MOF在低碳烯烃分离方面取得的研究进展,并对未来的工业化应用进行了展望。     

金属有机骨架材料在气体分离膜中的应用

金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOF)是一种新型材料,有着比表面积高、孔径可调等优点,以此为基础制备MOF膜克服了 MOF材料界面相容性和热稳定性差的缺点,在气体分离领域具有良好的应用前景.本文介绍了 MOF膜的功能层应用、物理共混、界面聚合以及接枝改性;简述了每种方法对不同气体分离性...     

用环糊精的金属有机框架材料作为模板制备多孔有机笼

迄今为止, 还未有报道过由金属有机框架材料(MOFs)转化成共价有机笼(COF-Cages)的文章. 通过交联环糊精MOF骨架中的羟基, 并除去其中的钾离子, 构建了由环糊精MOF转化形成的结晶性多孔有机笼. 首先合成CD-MOF, 再将CD-MOF中的羟基交联, 得到Cross-linked γ-环糊精MOF (CL-CD-MOF), 最后除去钾离子得到Z-cage, 并且应用热重分析(TGA)、红外光谱(IR)、固体核磁共振(CP/MAS/NMR)光谱等多种分析手段对其结构进行表征. 结果表明, 该方法得到的有机笼(Z-cage)具有特定的方钠石型晶体结构, 并且比表面积达862 m²·g^-1. 作为对照实验, 在水热条件下, 将γ-CD和对苯二硼酸按照1:4化学计量比合成的CL-polymer与Z-cage具有不同的晶体结构, 并通过X-射线粉末衍射(PXRD)进行了证明, 反映了MOF模板合成法在控制材料的晶体结构的优越性. 这种从结晶性无机-有机杂化MOF到结晶性有机笼Z-cage的转变, 提供了多孔晶体材料之间晶体到晶体转变的途径.     

高分子聚合物基碳纳米膜的电催化降解污水性能及机理

目前的电催化高级氧化技术普遍使用平板电极,因为传质受阻在降解污染物方面具有降解不彻底的缺点,限制了其在电催化降解污染物的应用.多孔碳纳米膜作为一种新型电极,因其较大的比表面积,提供较多反应活性位点,可以有效地改善传质效率,从而克服此传统技术的缺点,在近年来得到广泛应用.本文首先综述了使用高分子聚合物制备碳纳米膜的方法,主要包括静电纺丝技术(EST)、化学气相沉积法(CVD)和模板法,分别介绍了每种技术的原理和操作方法,并展示每种方法的实际应用的实例.其中静电纺丝技术具有可以制备取向碳纳米纤维并有助于碳纳米纤维改性的优点.其次总结了碳膜电催化降解含抗生素、染料分子和其他有机物的污水的研究进展,对不同条件下电催化降解有机物的效果进行综述,大部分研究均通过在碳纳米膜上添加金属、金属氧化物和金属有机框架(MOF)来使电极的性能得到优化.最后阐述了电化学高级氧化的机理、电极效应及主要的检测自由基的方法,分别从直接氧化和间接氧化两个方面介绍了电化学高级氧化的机理,并通过公式进行具体论证;列举了电催化过程中可能产生的电极效应对有机物降解的影响;检测自由基的方法主要总结了淬灭法和探针法,并阐述了其原理...     

动态化学与材料和非晶物理新关联——金属有机框架玻璃的挑战、进展与新机遇

金属有机框架(简称MOF)玻璃为传统玻璃世界和非晶物理研究带来崭新成员,被视为下一代多孔化学及新型MOF衍生功能材料关键发展方向.作为金属离子或簇核与有机配体通过配位键连接形成的多孔网络,绝大多数MOF还未达到高温熔融态就不可避免地发生热分解,很难通过传统的熔融-淬冷法制备玻璃.面对相关挑战,本综述系统梳理MOF玻璃发展历程及最新进展,提出基于动态化学串联扰动的全新策略用于普适化制备MOF玻璃.基于新的玻璃化方法,发现更多MOF玻璃、阐明结构转变本质并拓展新颖性质功能是从动态化学到材料和非晶物理的重大学科交叉前沿.相关研究孕育系列新机遇,包括从框架/动态化学的设计和调控到MOF玻璃可控制备,从晶态MOF本征性质到其玻璃态的各种潜在性能及新功能应用,以及从MOF多物相多层次结构转换出发更好理解玻璃本质.     

多孔碳材料的化学气相后处理及其超级电容性能

以廉价的椰壳为原料制备了高比表面积的多孔碳材料,然后在密闭的反应釜中以硝酸蒸汽对多孔碳材料进行了后处理,制备了亲水性更好的多孔碳材料。采用扫描透射电子显微镜(TEM)、物理吸附、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和接触角测试对材料的微观形貌、孔道结构、组成和亲水性进行了表征,探究了不同温度下硝酸蒸汽对多孔碳材料的形貌、结构的影响,并采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法考察了多孔碳材料的超级电容性能。结果表明,经过硝酸蒸汽处理后的多孔碳材料的比表面积和孔体积均有所降低,且随着处理温度的升高,降低得更加明显,而亲水性却越来越好。电化学测试结果表明,经过100℃硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC-100)具有最佳的超级电容性能。在以6 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CSC-100的比电容可达452.9 F·g^-1,而未经硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC)的比电容仅为350.4 F·g^-1。电容贡献分析表明CSC-100良好的亲水性和表面官能团不仅提高了双电层电容,也提高了赝电容。     

花状Zn-MOF衍生碳@MoS2复合材料制备及吸波性能

采用Zn-MOF(MOF为金属有机骨架)制备纳米多孔碳材料,通过自组装法将多孔碳与花状MoS₂结合,制备出具有规整有序结构的花状Zn-MOF衍生碳@MoS₂复合吸波材料。基于Zn-MOF衍生纳米多孔碳的高孔隙率、大比表面积,MoS₂的花状结构引起的电磁波多次反射和散射,以及MoS₂和Zn-MOF衍生碳之间存在的强极化效应、良好的阻抗匹配和协同作用,Zn-MOF衍生碳@MoS₂在频率为9.28 GHz时的最佳反射损耗达到-49.68 dB,表现出优异的电磁波吸收性能。