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。     

低成本硫掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以廉价的胶态二氧化硅为模板,蔗糖为碳源,硫酸为预碳化试剂和硫源,通过硬模板法制备了相对廉价的硫掺杂多孔碳(SSC-T,T℃代表碳化温度)材料。采用多种表征方法对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构、比表面积和表面硫物种进行了表征,探究了硫酸和碳化温度对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构和比表面积的影响。结果表明,碳化温度对碳的孔结构、比表面积和硫元素的含量有显著的影响,其中900℃碳化得到的样品SSC-900具有最大的比表面积、孔体积和比电容,远高于未加入硫酸制备的碳材料SC-900,表明硫酸的加入可以提高碳材料的比表面积、孔体积,进而提高碳材料的比电容。与昂贵的有序介孔碳CMK-3相比,SSC-900具有成本更低、孔径更大和电容性能更好的优点。在以6.0 mol·L^-1 KOH为电解质的三电极体系中,在0.5 A·g^-1的电流密度下,SSC-900的比电容可以达到357 F·g^-1,而SC-900和CMK-3的比电容分别仅为152和266 F·g^-1。电容贡献分析表明,SSC-900的双层电容值和赝电容值均高于SC-900。此外,SSC-900在0.5 A·g^-1的电流密度下循环10 000次后仍能保持98.4%的初始比电容。     

低成本硫掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以廉价的胶态二氧化硅为模板，蔗糖为碳源，硫酸为预碳化试剂和硫源，通过硬模板法制备了相对廉价的硫掺杂多孔碳(SSC-T，T℃代表碳化温度)材料。采用多种表征方法对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构、比表面积和表面硫物种进行了表征，探究了硫酸和碳化温度对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构和比表面积的影响。结果表明，碳化温度对碳的孔结构、比表面积和硫元素的含量有显著的影响，其中900℃碳化得到的样品SSC-900具有最大的比表面积、孔体积和比电容，远高于未加入硫酸制备的碳材料SC-900，表明硫酸的加入可以提高碳材料的比表面积、孔体积，进而提高碳材料的比电容。与昂贵的有序介孔碳CMK-3相比，SSC-900具有成本更低、孔径更大和电容性能更好的优点。在以6.0 mol·L^-1 KOH为电解质的三电极体系中，在0.5 A·g^-1的电流密度下，SSC-900的比电容可以达到357 F·g^-1，而SC-900和CMK-3的比电容分别仅为152和266 F·g^-1。电容贡献分析表明，SSC-900的双层电容值和赝电容值均高于SC-900。此外，SSC-900在0.5 A·g^-1的电流密度下循环10 000次后仍能保持98.4%的初始比电容。     

片状纳米结构CeO2晶体的制备及其吸附CO2性能

在室温下,将CeCl₃溶液与CO₂储存材料（CO₂SM）混合、搅拌0.5 h制备了片状碳酸铈前驱体（CCPs）,并在500℃下煅烧CCPs 4 h,制得平均尺寸为4.94 μm×0.92 μm,厚度为0.04~0.08 μm纳米结构片状CeO₂晶体。在此过程中,CO₂SM不但可以提供CO₃^2-,还能起到分散剂和结构导向剂的作用。反应过程中,系统地研究了CO₂SM用量、Ce³⁺浓度和搅拌时间3个因素对CCPs形态和大小的影响,得到最优制备条件：0.1 g CO₂SM和50 mL 0.03 mol·L^-1 Ce³⁺水溶液以1 000 r·min^-1转速在室温下搅拌0.5 h。煅烧CCPs后,所制备的片状CeO₂晶体在室温下CO₂吸附量可达0.554 mmol·g^-1。     

掺杂铁酸盐的制备、结构及其催化分解CO2成C的性能

采用混合离子共沉淀法制备掺杂铁酸盐,采用XRD,TGA和H2-TPR等手段对其结构进行了表征,并考察了其直接催化分解CO2成C的性能.研究结果表明,用混合离子共沉淀法能够制备出纳米级晶粒、且为单一尖晶石结构的Cr3+掺杂的NiFe2O4.所掺杂的Cr3+进入NiFe2O4的晶格B位,极大地促进了NiFe2O4在还原氧化过程中结构的稳定性,分解CO2反应后,NiFe2O4的结构易恢复,从而明显地提高了其分解CO2成C反应的循环寿命(35次以上)和积炭量(25.3%).     

氨基功能化SBA-15的直接合成及其对CO_2的吸附性能研究

通过直接法合成了氨基功能化SBA-15介孔材料。使用X-射线粉末衍射法(XRD),N2吸-脱附,透射电子显微(TEM)等技术对氨基功能化材料进行了表征。实验结果表明:当反应原料中nAPTES/(nAPTES+nTEOS)≤0.20时,APTES功能化的材料都具有典型的介孔SBA-15结构;但当nAPTES/(nAPTES+nTEOS)≥0.225时,由于氨基对SBA-15结构的副作用导致SBA-15介孔结构坍塌。在氟离子辅助合成下可以获得高含量氨基(反应原料中nAPTES/(nAPTES+nTEOS)的比值为0.25)功能化的SBA-15材料,且此材料中的介孔孔径和BET比表面积都较大。CO2吸附结果表明,随着反应原料中APTES含量提高,所合成的材料对CO2的吸附量相应增加,同时在101kPa和25℃下,通过氟离子辅助合成的材料对CO2的吸附量远远优于无氟离子辅助合成材料的。本研究还对后嫁接法和直接合成法获得氨基功能化SBA-15介孔材料的优缺点进行了讨论。     

氮硫共掺杂多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池因其较高的理论容量和对环境友好等优势被视为极具发展潜力的储能装置,但是多硫化物的穿梭效应极大地限制了锂硫电池的实际应用。本文以葡萄糖为碳源,离子液体为氮源和硫源,KCl和ZnCl₂为模板剂,KOH为活化剂,通过热解工艺合成了氮硫共掺杂多孔碳（NSPC）。XPS和极性吸附实验表明N、S杂原子成功引入并且提高了碳材料对多硫化物的吸附能力,有效缓解多硫化物的穿梭效应,而较高的比表面积（1290.67 m²·g^-1）有助于提高硫负载量。负载70.1wt.%的硫后（S@NSPC）作为锂硫电池的正极材料表现出了良好的电化学性能。在167.5 mA·g^-1的电流密度下S@NSPC的首次放电容量为1229.2 mAh·g^-1,远高于S@PC的861.6 mAh·g^-1,且S@NSPC循环500圈后容量为328.1 mAh·g^-1。当电流密度从3350 mA·g^-1恢复至167.5 mA·g^-1时,可逆容量达到首圈放电比容量的80%,几乎恢复至其初始值。     

Mg-Zn-Al三金属类水滑石的合成及其复合氧化物的催化性能

水滑石（[Mg_６Al_２（OH）_(１６)[CO_３·４H_２O）是一种类似于水镁石结构的层状阴离子黏土，其骨架为阳离子，层间为阴离子。如改变骨架中的金属阳离子或在层间引入不同的阴离子，就可形成各种新组成的类水滑石。水滑石对有机分子反应具有较高的催化活性和选择性，且可以作为复合氧化物催化剂的前体，应用广泛。它作为碱催化剂，可用于醇醛缩合；作为氧化还原催化剂，用于水煤气转化、NO的还原、甲烷氧化反应等犤１，２犦。作为一种具有特殊结构的化合物，各种双金属组分的水滑石或类水滑石的合成、性质与应用已受到广泛的重视犤３…     

掺杂Fe2O3对吸附相反应技术制备TiO2的形貌和光催化性能的影响

利用吸附相反应技术制备得到了掺杂不同浓度的Fe₂O₃的TiO₂复合光催化剂。通过透射电子显微镜(TEM)、紫外可见光谱和X射线衍射(XRD)研究不同掺杂浓度对TiO₂形貌和结晶过程的影响,并利用3种波长光源下的甲基橙光降解实验考评了各个复合光催化剂的催化活性。结果表明,掺杂后复合光催化剂中Fe₂O₃分散性较好较均匀。在TiO₂紫外可见吸收光谱中由于Fe₂O₃的掺杂而出现了红移,而且随着掺杂浓度增加红移越来越明显,复合光催化剂的禁带宽度也越来越小。在焙烧过程中无定形Fe₂O₃或Fe³⁺进入了TiO₂的晶格结构,从而抑制了TiO₂的结晶过程。半导体禁带宽度的减少以及TiO₂结晶过程的抑制作用,都导致紫外光下复合光催化剂催化活性的降低。但Fe₂O₃的掺杂也使得复合光催化剂在可见光区出现了一定的光催化活性。     

碳化多孔有机骨架制备氮掺杂多孔碳及其气体吸附研究

通过简单的一步碳化方法, 以含氮的多孔有机骨架JUC-Z2为碳前驱物制备出氮掺杂多孔碳材料. 与原始JUC-Z2材料相比, 制备的多孔碳材料显示出明显提高的气体吸附量和增强的吸附焓. 其中JUC-Z2-900的CO₂吸附量高达113 cm³·g^-1, H₂吸附量也达到246 cm³·g^-1, 超过了大部分报道的多孔材料. 尤其是JUC-Z2-900的CH₄吸附量在273 K, 1 bar下高达60 cm³·g^-1, 据我们所知, 这一值为目前报道材料的最高值. 除此之外, 样品还显示出选择性吸附CO₂的能力, 273 K下, JUC-Z2-900的CO₂/N₂的选择性高达10, CO₂/H₂的选择性也高达66. 另外, 样品具有很高的热稳定性, 有望应用在碳捕获和清洁能源储存等领域.     

源自密胺基多孔聚合物的富氮微孔炭及选择性吸附CO_2

以间苯二甲醛和三聚氰胺为原料,通过Schiff碱缩合反应合成了密胺基多孔聚合物(POP),经高温炭化后得到富氮微孔炭(NMC).利用N2吸脱附和傅里叶变换红外(FTIR)光谱表征了POP和炭化后产物NMC的结构和组成,与POP相比,NMC的官能团数量减少,比表面积和微孔孔容大幅增加.元素分析表明NMC含氮量高达12.5%(w).采用体积法测定了CO2、CH4和N2在NMC上的单组分吸附平衡等温线,NMC展示出良好的CO2吸附性能,298 K、100 kPa下CO2平衡吸附量可达2.34 mmol·g-1.双位Langmuir(DSL)模型和单位Langmuir(SSL)模型分别较好地描述了CO2、CH4和N2在NMC上的吸附平衡数据,在此基础上,应用理想吸附溶液理论(IAST)预测了双组分混合气在NMC上的吸附等温线,结果表明NMC对CO2-N2和CO2-CH4有非常高的CO2吸附选择性,分别为144.9和12.8.     

One-Pot Synthesis of N-Rich Porous Carbon for Efficient CO2 Adsorption Performance

N-enriched porous carbons have played an important part in CO₂ adsorption application thanks to their abundant porosity, high stability and tailorable surface properties while still suffering from a non-efficient and high-cost synthesis method. Herein, a series of N-doped porous carbons were prepared by a facile one-pot KOH activating strategy from commercial urea formaldehyde resin (UF). The textural properties and nitrogen content of the N-doped carbons were carefully controlled by the activating temperature and KOH/UF mass ratios. As-prepared N-doped carbons show 3D block-shaped morphology, the BET surface area of up to 980 m²/g together with a pore volume of 0.52 cm³/g and N content of 23.51 wt%. The optimal adsorbent (UFK-600-0.2) presents a high CO₂ uptake capacity of 4.03 mmol/g at 0 °C and 1 bar. Moreover, as-prepared N-doped carbon adsorbents show moderate isosteric heat of adsorption (43–53 kJ/mol), acceptable ideal adsorption solution theory (IAST) selectivity of 35 and outstanding recycling performance. It has been pointed out that while the CO₂ uptake was mostly dependent on the textural feature, the N content of carbon also plays a critical role to define the CO₂ adsorption performance. The present study delivers favorable N-doped carbon for CO₂ uptake and provides a promising strategy for the design and synthesis of the carbon adsorbents.     

Nitrogen-Doped Porous Carbon Materials Derived from Graphene Oxide/Melamine Resin Composites for CO2 Adsorption

CO₂ adsorption in porous carbon materials has attracted great interests for alleviating emission of post-combustion CO₂. In this work, a novel nitrogen-doped porous carbon material was fabricated by carbonizing the precursor of melamine-resorcinol-formaldehyde resin/graphene oxide (MR/GO) composites with KOH as the activation agent. Detailed characterization results revealed that the fabricated MR(0.25)/GO-500 porous carbon (0.25 represented the amount of GO added in wt.% and 500 denoted activation temperature in °C) had well-defined pore size distribution, high specific surface area (1264 m²·g⁻¹) and high nitrogen content (6.92 wt.%), which was mainly composed of the pyridinic-N and pyrrolic-N species. Batch adsorption experiments demonstrated that the fabricated MR(0.25)/GO-500 porous carbon delivered excellent CO₂ adsorption ability of 5.21 mmol·g⁻¹ at 298.15 K and 500 kPa, and such porous carbon also exhibited fast adsorption kinetics, high selectivity of CO₂/N₂ and good recyclability. With the inherent microstructure features of high surface area and abundant N adsorption sites species, the MR/GO-derived porous carbon materials offer a potentially promising adsorbent for practical CO₂ capture.     

活性炭的孔径分布对CH4和CO2的吸附性能的影响

采用不同炭化温度和活化温度,以椰壳作为前驱体制备了系列结构性能相同,表面吸附基团相似,不同孔结构的活性炭。分别采用密度函数理论(DFT)吸附法和BJH估算了系列活性炭的孔径分布。结果表明,随炭化温度和活化温度的升高系列活性炭中微孔量先增加后减少。当炭化温度为700 ℃,活化温度为800 ℃时,制备的活性炭微孔量达到最大。随炭化温度和活化温度的升高,系列活性炭的中孔依次增加。考查了CH₄,CO₂在系列活性炭上的吸附性能。结果表明该系列活性炭对CO₂有很强的吸附能力,在常温常压下对CO₂的吸附量均高于1.0 mmol·g^-1;系列活性炭对CH₄的吸附能力有较大的差异,在对CO₂具有最大吸附量的活性炭上对CH₄具有最小的吸附量。采用变压吸附法测试了该系列活性炭在25 ℃时对n_CH4∶n_CO2=9∶1的混合气体的分离性能。结果表明炭化温度为700 ℃,活化温度为800 ℃时制备的活性炭对CH₄-CO₂混合气具有最好的分离效果,是变压吸附分离CH₄,CO₂混合气的优异吸附剂。     

Synthesis of Porous Carbon Nitride Nanobelts for Efficient Photocatalytic Reduction of CO2

Sustainable conversion of CO₂ to fuels using solar energy is highly attractive for fuel production. This work focuses on the synthesis of porous graphitic carbon nitride nanobelt catalyst (PN-g-C₃N₄) and its capability of photocatalytic CO₂ reduction. The surface area increased from 6.5 m²·g⁻¹ (graphitic carbon nitride, g-C₃N₄) to 32.94 m²·g⁻¹ (PN-g-C₃N₄). C≡N groups and vacant N_2C were introduced on the surface. PN-g-C₃N₄ possessed higher absorbability of visible light and excellent photocatalytic activity, which was 5.7 and 6.3 times of g-C₃N₄ under visible light and simulated sunlight illumination, respectively. The enhanced photocatalytic activity may be owing to the porous nanobelt structure, enhanced absorbability of visible light, and surface vacant N-sites. It is expected that PN-g-C₃N₄ would be a promising candidate for CO₂ photocatalytic conversion.     

KIT-6负载CeO2催化CO2和甲醇合成碳酸二甲酯

采用不同老化温度(80、100、120和150℃)合成了一系列KIT-6载体,并通过浸渍法制备了相应的CeO_2/KIT-6催化剂。结合X射线衍射、N_2物理吸附、NH_3程序升温脱附、CO_2程序升温脱附、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等表征结果,详细考察了老化温度对KIT-6结构以及CeO_2/KIT-6催化剂直接催化CO_2和甲醇合成碳酸二甲酯(DMC)反应活性的影响。结果表明,不同老化温度下制备的KIT-6均保持其独特的三维孔道结构。随着老化温度升高,KIT-6比表面积先增大后减小,当老化温度为100℃时,KIT-6比表面积达到最大(683 m~2·g~(-1))。KIT-6较高的比表面积有利于提高CeO_2分散度,进而提高暴露的活性位点数量,催化活性随催化剂表面中等碱/酸性吸附位数量和Ce~(3+)含量的增加而逐渐提高。其中,CeO_2/100-KIT-6催化剂中CeO_2颗粒尺寸最小(5.9 nm),暴露的活性位数量最高,催化活性最佳。随后,考察了反应温度和压力对CeO_2/100-KIT-6催化活性的影响。随着反应温度提高,催化活性先升高后降低,当反应温度为140℃时,催化活性最高;且催化活性随反应压力的提高而逐渐增加。在反应温度为140℃、压力为6.8 MPa条件下,催化剂经6次循环后,DMC收率由15 mmol·g_(CeO_2)~(-1)逐渐降低至2.8 mmol·g_(CeO_2)~(-1),原因归结为反应过程中CeO_2纳米颗粒发生团聚,使暴露出的活性位数量减少。     

TiO_2纳米带光催化二氧化碳甲烷化

研究了在常温常压下TiO2纳米带光催化CO2催化加氢气反应。在紫外光照射下,二氧化碳的加氢还原产物为甲烷。利用高分辨TEM,XRD,UV-Vis DRS,低温氮吸附-脱附,TG等考察了催化剂与甲烷产率的构效关系。结果表明,在600℃焙烧时得到的双晶材料具有最佳的光催化活性。优异的光催化活性主要得益于TiO2双晶脱水纳米带(DNR Bicrystalline dehydratednanoribbon)。上面形成的纳米晶界能够提高催化剂在紫外区的光吸收能力,TiO2(B)和锐钛矿独特的双晶间隔结构也提高了界面电荷分离的效率。担载贵金属Pt显著地提高了反应速率。     

聚乙烯亚胺修饰的氧化硅纳米管基吸附剂的制备及其CO_2吸附应用

以P123为模板,1,2-二(三甲氧基硅基)乙烷(BTME)为硅源合成了介孔氧化硅纳米管(E-SNTs).将ESNTs经过聚乙烯亚胺(PEI)修饰后制得吸附剂用于捕捉CO2.对吸附剂进行了透射电镜(TEM)、物理吸附、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、热重分析(TGA)等表征.E-SNTs-PEI吸附剂的最佳CO2吸附温度为75°C.吸附剂的CO2吸附量随着PEI负载量的增加呈现先增大后减小的趋势,其中50%为最佳负载量,此时吸附剂的吸附量最大为3.32 mmol·g-1.相比较SBA-15基吸附剂,E-SNTs基吸附剂具有更优异的吸附性能.在有水汽的存在下,吸附剂E-SNTs-50的CO2吸附量达到3.75 mmol·g-1.经过四次循环吸脱附实验测试E-SNTs-PEI吸附剂的稳定性能,结果表明其CO2吸附量基本不变,该吸附剂表现出较好的稳定性和可再生能力.