石墨烯-聚丙烯腈基多孔炭的合成及應(yīng)用.pdf

1、多孔炭材料因其發(fā)達(dá)的比表面積、出色的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能被廣泛地應(yīng)用于催化劑載體、氣體儲存和電極材料等領(lǐng)域。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需求對炭材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪裁可以有效提升其應(yīng)用性能，是目前炭材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。如何精確調(diào)控炭材料的孔道結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)以滿足應(yīng)用的要求仍然存在很大的挑戰(zhàn)。本論文開展了以石墨烯/聚丙烯腈納米復(fù)合材料為炭前驅(qū)體合成含氮多孔炭材料的研究。
　　(1)以丙烯腈(AN)為聚合單體，過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，采用

2、類似聚丙烯腈聚合的水相沉淀法，在氧化石墨烯的水溶液中通過原位聚合制得石墨烯/聚丙烯腈納米復(fù)合材料，然后經(jīng)過炭化和活化得到氮摻雜的大孔-微孔相互貫通的多級孔炭材料。材料具有豐富的比表面積787 m2g-1和孔容1.98 cm3g-1，雜原子N的含量達(dá)到6.2 wt％，其中石墨化N占到40％。材料負(fù)載銅催化劑應(yīng)用于乙醇直接脫氫制乙醛的催化反應(yīng)，銅的分散度高達(dá)18.3％，乙醇轉(zhuǎn)化率為83.2％，乙醛選擇性超過95％，500 min的穩(wěn)定性測試

3、后乙醇的轉(zhuǎn)化率仍可以保持在80％，并且測試前后銅顆粒的尺寸幾乎不變(6.3nm到6.7 nm)。材料優(yōu)異的催化性能歸因于豐富的含N官能團(tuán)和多級孔結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用。XPS測試和DFT計(jì)算表明，N摻雜的炭材料有利于銅顆粒的分散和穩(wěn)定;空速實(shí)驗(yàn)表明高空速下該材料具有更高的時(shí)空收率，表明材料的多級孔結(jié)構(gòu)有利于氣體的傳輸從而獲得更好的催化性能。
　　(2)基于上述材料大孔和含氮豐富的優(yōu)異特性，選用碳酸鉀活化來極大地豐富材料的比表面積和孔容

4、，以期獲得突出的二氧化碳吸附分離性能。通過考察活化溫度、炭化溫度和后處理方式對材料結(jié)構(gòu)和吸附性能的影響，得出最佳的活化條件。將聚合物、預(yù)氧化物和炭化產(chǎn)物作為活化前驅(qū)體，活化后比表面積和孔容提升明顯，雜原子N的含量活化前后基本不變，并且炭化產(chǎn)物活化后仍保持大孔的特征。將材料應(yīng)用于二氧化碳吸附分離測試，靜態(tài)測試:25℃時(shí)，炭化物活化后的CO2飽和吸附量最高可以達(dá)到4.0mmol g-1;0℃時(shí)，聚合物活化后的CO2飽和吸附量最高可以達(dá)到6.