含硫氮功能化活性炭的制备及其CO2吸附性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mad1979
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随着工业化的快速发展,化石燃料的过度开采和使用,造成大气中CO2含量迅速增加,带来了一系列的环境问题,受到越来越多研究者的关注。多孔炭材料因其孔结构可调、表面化学性质可修饰、热稳定性好等优势,是具有良好前景的CO2吸附剂之一。在活性炭中引入硫、氮等杂原子能够调节其孔结构和改变表面极性,增强炭表面与CO2分子的相互作用力,从而提高CO2吸附性能。  聚苯并噁嗪树脂因其合成来源广、制备工艺简单、分子设计灵活、开环固化过程中无小分子释放等优势,是设计制备多孔炭材料的良好前驱体。本论文基于合成苯并噁嗪的曼尼希反应,以不同酚源、胺源设计了苯并噁嗪树脂,进一步炭化、活化得多种新型的含硫氮多孔炭材料。使用扫描电镜、傅里叶红外光谱、元素分析、X射线能谱和氮气吸脱附等方法分别对材料进行了表征。并研究了这些材料在常温常压下的CO2吸附性能,详细探讨了孔结构和表面化学性质对CO2吸附性能的影响。  本论文所得到的主要结论如下:  (1)以间苯三酚、对苯二胺、甲醛溶液通过悬浮聚合法得到的含氮聚苯并噁嗪树脂球为前驱体,其中对苯二胺既为胺源又为反应的催化剂。通过调节KOH活化的温度和碱炭比,得到一系列氮掺杂多孔炭球。炭化得到材料表面的氮含量达4.28at%,在1bar和25℃条件下,得到最高CO2的吸附容量为3.55mmol g-1,发现CO2吸附性能对超微孔(孔径≤0.8nm)的含量变化非常敏感,吸附过程以物理吸附为主,含氮官能团作用明显。  (2)采用硫脲、甲醛、对氰基苯酚和F127原位掺杂合成制备得硫氮共掺杂多孔炭,其中硫脲为胺源和硫源。活化后得到具有较高的比表面积(1511-2385m2g-1)和孔体积(0.63-0.70cm3g-1)、硫/氮含量分别可达到0.14-0.17wt%和1.27-2.55wt%的多孔炭。600℃活化的样品在1bar,0℃、25℃具有最高的CO2吸附含量(6.65和4.55mmol g-1)。材料具有良好的循环稳定性和一定的CO2/N2选择性。其CO2吸附热明显高于一般多孔炭材料的吸附热值,这归因于其较高的比表面积、良好的孔径分布以及基体和表面中的硫、氮官能团的共同作用。  (3)以双酚S、苯胺或对苯二胺、甲醛溶液为原料,在一定温度下聚合得到聚苯并噁嗪前驱体,再处理得到含硫、氮多孔炭,其中双酚S为硫源和酚源,苯胺或对苯二胺为胺源。以苯胺为胺源的材料因其发达的微孔结构和有效的表面化学官能团,在1bar,0℃和25℃有最高CO2吸附值分别为6.68和4.13mmolg-1。微孔结构(孔径≤0.8nm)对CO2吸附性能的提高起主导作用,影响CO2气体吸附量的有效官能团是氧化型硫(169.3eV)和吡啶型氮(N-6),且硫、氮元素共掺杂对CO2捕获起到协同作用。
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