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《内蒙古师范大学》 2019年
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硼掺杂介孔碳材料的制备、表征及其CO_2吸附性能

史超  
【摘要】:多孔纳米碳材料由于具有高的比表面、孔径分布统一、制备过程可控和结构稳定等众多优点,广泛应用于CO_2吸附、催化、超级电容器以及电极材料等多个领域。近年来纳米碳的掺杂技术得到了迅速发展,通过对其进行掺杂改性可以实现其各功能的优化,拓宽其在各个研究领域的应用。大量实验研究表明,开发硼修饰改性的介孔碳材料具有十分远大的前景。本文采用软模板法中的水热合成法制备了一系列具有介孔结构的硼掺杂介孔碳材料,并采用X-射线粉末衍射分析(XRD)、N_2吸附脱附分析、透射电子显微镜分析(TEM)、拉曼光谱分析(Raman)、傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)、X-射线光电子能谱分析(XPS)等一系列手段对硼掺杂介孔碳材料的物理化学性质进行了表征。考察了不同硼源、硼碳摩尔比和模板剂量对材料物化性质的影响,并考察了材料的CO_2吸附性能,同时测试了材料的CO_2吸附再生性能。本文主要开展了以下几方面的工作:1.以硼酸为硼源采用水热合成法制备了一系列不同硼碳摩尔比和模板剂量的硼掺杂介孔碳材料,并考察了其对CO_2的吸附性能以及样品的可重复利用性。结果表明,所制备的硼掺杂介孔碳材料具有较高的比表面积、均一的孔径、规整的介孔和高度石墨化的晶体结构。硼掺杂的p型半导体性质可以改善碳的空穴传输性质,提高材料的石墨化程度和抗氧化能力。将其应用于CO_2吸附中,发现不同材料对CO_2的吸附具有明显差异。此外,碳材料中硼的存在显著地提高了材料对CO_2的吸附能力。当硼碳比为0.05(BC-0.05)以及模板剂用量为0.5 mmol(BC-F5)时,所制的材料对CO_2的吸附效果最好且重复利用性能优越。在30℃,环境压力,CO_2流量为50 mL时,BC-0.05对CO_2的平衡吸附量达到81.17 mg·g~(-1),连续十次吸附-脱附循环后,吸附量由81.17 mg·g~(-1)下降为52.31 mg·g~(-1)。在相同条件下,BC-F5对CO_2的平衡吸附量达到121.34 mg·g~(-1),连续十次吸附-脱附循环后,吸附量由121.34 mg·g~(-1)下降为51.77 mg·g~(-1)。循环实验中吸附容量的下降,这可能是由于在解吸过程中,吸附物表面的空位消失或减弱导致的。其次,也有可能是由于制得的材料对CO_2的吸附主要为物理吸附的原因。结果表明,该硼掺杂介孔碳材料在降低成本的同时,具有较高的CO_2吸附潜力。2.以硼酸三异丙酯为硼源采用上述法制备了一系列不同硼碳摩尔比和模板剂量的硼掺杂介孔碳材料,同样考察了其对CO_2的吸附性能以及样品的可重复利用性。结果表明,所制备的硼掺杂介孔碳材料具有较高的比表面积、均一的孔径等一系列优势。将其应用于CO_2吸附中,发现不同材料对CO_2的吸附效果不同。当硼碳比为0.05(BC*-0.05)以及模板剂用量为0.2 mmol(BC*-F2)时,材料的吸附效果最好且重复利用性能优越。在30℃,环境压力,CO_2流量为50 mL时,BC*-0.05对CO_2的平衡吸附量达到94.96 mg·g~(-1),连续十次吸附-脱附循环后,吸附量由94.96 mg·g~(-1)下降为33.95 mg·g~(-1)。在相同条件下,BC*-F2对CO_2的平衡吸附量达到95.19 mg·g~(-1),连续十次吸附-脱附循环后,吸附量由95.19 mg·g~(-1)下降为60.21 mg·g~(-1),循环实验中吸附容量的下降,这可能是由于在解吸过程中,吸附物表面的空位消失或减弱导致的。其次,也有可能是由于制得的材料对CO_2的吸附主要为物理吸附的原因。结果表明,该硼掺杂介孔碳材料具有较高的CO_2吸附潜力。
【学位授予单位】:内蒙古师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O613.71;TB383.4;O647.33

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