單分散碳微粒的制備、表征及儲氫性能.pdf

1、由于化石燃料儲量的日益減少和化石燃料的使用帶來的嚴重環(huán)境問題,人們迫切需要尋找一種新型可再生清潔能源滿足需求。氫具有熱值高,產(chǎn)物是水,無污染、可循環(huán)利用,不存在枯竭問題的優(yōu)點。因此,氫能系統(tǒng)作為一種減少溫室氣體和其他有害物質(zhì)排放的手段,成為二十一世紀的綠色能源。然而氫的儲存成為限制氫能大規(guī)模應用的瓶頸。美國能源部(DOE)制定了儲氫媒介在室溫或接近室溫的條件下儲存-釋放氫氣的量達到6 wt％的首要目標。碳基材料具有多微孔、比表面積大、表

2、面張力大、吸附勢能大等特點,在吸附儲氫方面存在一定的潛力,成為物理儲氫材料研究的新熱點。目前,關(guān)于碳微球儲氫方面的研究較少。本論文通過一種全新的手段制備了微孔尺寸可調(diào)的多級孔結(jié)構(gòu)的單分散微孔碳微球,由于其優(yōu)化的微孔尺寸、高的比表面積、大的微孔容積表現(xiàn)出極好的儲氫性能。本文主要進行了以下研究:
　　 (1)通過一種全新的方法,即改變碳源前軀體一超交聯(lián)聚苯乙烯微球(HCPSs)質(zhì)量密度的方法實現(xiàn)了碳微球微孔結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié),優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的碳

3、微球表現(xiàn)出極好的儲氫性能。首先通過無皂乳液聚合反應合成了高交聯(lián)的核殼型苯乙烯.二乙烯苯共聚物(PS-DVB)微球,用CCl4溶解未交聯(lián)的PS核得到中空PS-DVB膠囊。其次,對實心PS-DVB微球或者中空PS-DVB膠囊進行超交聯(lián)反應制備不同質(zhì)量密度的HCPSs。最后不同質(zhì)量密度的HCPSs在700℃碳化制備了不同微孔結(jié)構(gòu)的碳微球。掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)結(jié)果表明,我們成功制備了單分散碳微球,而且這些微球內(nèi)部分布有大量微孔

4、和蠕蟲狀孔道結(jié)構(gòu)。拉曼光譜和X射線衍射(XRD)表明這些碳微球是無定形碳相。高分辨TEM和氮氣吸附-解吸附實驗結(jié)果表明,當DVB用量不低于40wt％時,通過HCPSs的質(zhì)量密度實現(xiàn)了碳微球的微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)。所制備的碳微球樣品具有高的比表面積(679 m2／g),較大的孔容積(0.74 cm3／g),和優(yōu)化微孔尺寸(0.51-0.85 nm)。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于碳微球的儲氫。值得注意的是,碳微球樣品在77 K和800 mmHg(1.0

5、6 bar)下測得的儲氫量為4.55 wt％,接近目前報道的多孔碳在類似條件下(77 K,0.93 bar)最大儲氫量(2.4 wt％)的2倍。
　　 (2)通過一種新穎方法制備了單分散微孔碳半球,這種碳半球表現(xiàn)出極大的孔容積。首先通過CCl4刻蝕除掉核殼型PS-DVB微球未交聯(lián)的PS核來得到中空的PS-DVB膠囊,然后對中空PS-DVB膠囊進行磺化并在其表面包覆一層SiO2,最后碳化并除去SiO2層后得到了中空碳半球。采用SE

6、M,TEM,XRD,拉曼光譜和氮氣吸附解吸附等手段對樣品進行了表征。結(jié)果表明這些單分散的碳半球具有中空的單層殼結(jié)構(gòu),在這些碳半球的單層殼中分布有大量的微孔和蠕蟲狀孔道結(jié)構(gòu)。這些碳半球具有高的比表面積(676 m2／g),極大的孔容積(2.63cm3／g),和大于單碳原子交聯(lián)劑(CCl4)碳微球的微孔尺寸(0.55-0.75 nm)。碳半球在77 K和800 mmHg(1.06 bar)下測得的儲氫量為1.62 wt％。本文提出了碳半球的