《介孔碳材料》PPT课件
碳材料PPT课件
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
C 的演变
碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进 化的关键元素。
宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne…… 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石 燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命. 碳元素占人体 总重量的18 %左右 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种 炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合 成纤维三大 材料奠定了基础。
Richard E. Smalley 1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b. 1943 d. 2005
The Nobel Prize in Chemistry 2000 “for the discovery and development of conductive polymers”
1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b.1933
Sir Harold W. Kroto 1/3 of the prize United Kingdom University of Sussex Brighton, United Kingdom b. 1939
[课件]介孔材料简介PPT
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介孔材料的特点
具有规则的孔道结构 孔径分布窄，且在2~50 nm之间可以调节 经过优化合成条件或后处理，可具有很好的 热稳定性和一定的水热稳定性 颗粒具有规则外形，且可在微米尺度内保持 高度的孔道有序性
介孔材料的合成方法
溶胶-凝胶法 水热合成法 微波辐射合成法 相转变法 沉淀法
在医疗方面，介孔材料吸附药剂分子后在药物缓释与靶向释放方面
也有重要应用。
介孔材料的应用
选择性催化
介孔壁对反应物分子有强的相互作用，不同基质和介孔孔径以及介孔阵列对 不同的反应物特别是分子结构差异较大的物质有不同的相互作用和选择性催 化作用。利用不同化学组成的物质制备介孔材料将在选择性定位催化，特别 是高效转化方面具有广泛用途。
微波辐射合成法
晶化阶段用微波辐射合成了介孔材料MCM-41 全微波辐射法，即晶化和脱模均在微波作用下合成出 MCM-41 微波辐射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场 作用下，通过偶极子极化使体系中的极性分子急剧扭 转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度 快、高效节能、环保卫生等优点。利用全微波辐射法 合成MCM-41介孔分子筛，整个过程用时不到5 h。和 水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少。
介孔材料的表征手段
介孔材料表征手段自成一整套体系：
固 态 结 构
小角X射线衍射
x射线晶体衍射
大角X射线衍射
小角X射线衍射：确定是否有wormlike孔结构
大角X射线衍射：确定试样是晶态物质还是不定型物质
介孔材料的表征手段
红外光谱：确定物质的各种基团，确定是否有 骨架结构 示差扫描量热法(DSC)和热重(TG)曲线来研究 在加热过程中所发生化学反应，晶型转变及煅 烧温度等 SEM、TEM是来研究物质的形貌和粒径大小 吸附法来研究介孔材料的比表面和孔径分布
多孔炭材料ppt课件
实验安排 第一阶段，原料分析 第二阶段，预氧化，温度400–450℃ 、时间1–4h、
升温速率0.5–10℃/min 第三阶段，炭化，活化
水平 1 2 3
炭化温度(A) 炭化时间(B) 活化温度(C) 活化时间(D)
℃
min
℃
min
350
30
800
80
400
45
850
100
450
m ple
图 煤沥青与不同升温速率下前驱体中挥发分及TI含量
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图 煤沥青与各前驱体SEM图 (a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10
1400
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ag / m
考察因素 原料分析（元素组成、灰分、挥发分、软化点） 预氧化条件（预氧化温度、时间、氧化介质及流量、
升温速率） 前驱体粒度、碱炭浸渍比、分散剂的选择等 炭化条件（炭化温度、时间、升温速率） 活化条件（活化温度、时间、升温速率） 产品性能（灰分、比表面积、孔径分布）
实验设计
吸附等温线是在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力 的关系曲线 。
BET吸附理论
吸附等温线类型
不同恒温时间下前驱体制备的活性炭比表面积
2
S p e c i f i c s u r f a c e a r e/ ag / m
1400 1200 1000 800 600 400 200
0 A C -h1
国内外活性炭的生产现状
二战前后，美国的AC产量一直居世界第一位。80年代后， 第三世界国家的AC工业开始发展，产量逐渐增加，到目 前，世界五大洲40多个国家生产AC，年产量达70多万吨。
多孔与介孔材料(课堂PPT)
Kelvin方程 BJH法确定中孔孔径分布 Kelvin方程对4型和5型等温线的解释 吸附滞后现象（自学）
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吸附基础
❖ 吸附概念
当气体或者液体与某些固体接触时，气体或者液体分子会积聚在固体表面 上，这种现象称为吸附。
吸附是指当流体与多孔固体接触时， 流体中某一组分或多个组分在固体表 面处产生积蓄的现象。
B）极化力(Debye interaction)：具有诱导偶极作用（induced dipole）分子与具有永久 偶极矩（permanent dipole moment）接近时，分子之间的正负电荷的相互作用力；
C）氢键(hydrogen bond, Keesom force)：氢原子与其他分子中有多余未成键电子的原
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吸附基础
根据吸附剂表面与吸附质分子间作用力的性质不同，吸附可分为 物理吸附和化学吸附两大类。
❖ 物理吸附
定义：被吸附分子与固体表面分子间的作用力为分子间作用力，即范德华力，又称 范德华吸附.
特征： ❖ 可逆过程，快速 ❖ 吸附作用比较弱（静电作用） ❖ 选择性差（不发生化学反应，稍加热就可能脱附）
间的相互作用。低压下，仅吸附在表面少数活性点上，高压下，气
体分子优先以团族结构吸附在已被吸附分子周围，局部形成多分子
层吸附，没有2型吸附曲线的“平台”
实际例：水分子在疏水活性炭上的吸附。
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吸附基础
4型吸附：中孔材料的典型吸附等温曲线，具有吸附回线。
微观图像：1、低压下，与2型吸附曲线相同。2、一定压力以 上时，吸附质在中孔内发生了毛细凝聚，吸附量急速增加。3、压 力继续升高，所有中孔均完成毛细凝聚，吸附主要在外表面发生， 吸附曲线出现平台。4、毛细凝聚现象：产生吸附滞后回线，影响 因素：孔径分布、孔结构形状、吸附质特性、实验温度等。
介孔碳材料
介孔碳材料：合成及修饰关键词：嵌段共聚物，介孔碳材料，自组装，模板合成许多应用领域对多孔材料的兴趣是由于他们的高比表面积和理化性质。
传统的合成只能随机产生多孔材料，对超过孔径分布几乎是无法控制的，更不用说细观结构了。
最新的突破是其它多孔材料的制备工艺，这将导致具有极高比表面积和有序介孔结构的介孔材料制备方法的发展。
随着催化剂的发展，分离介质和先进的电子材料被用在许多科学学科。
目前合成方法可归类为硬模板法和软模板法。
这两种方法都是用来审查碳材料表面功能化取得的进展。
1.简介多孔碳材料是无处不在和不可或缺的，应用于许多的现在科学领域。
多孔碳材料被广泛用作制备电池电极、燃料电池、超级电容。
作为分离过程和储气的吸附剂，应用于许多重要的催化过程。
介孔碳材料的用途在不同的应用中有着直接的联系，不仅仅关系到其优良的物理和化学性能，如导电、热导率、化学稳定性和低密度，而且关系到其广泛的可用性。
近年来碳技术已经取得了很大进展，同时也通过开发和引进新的合成技术改变现有的制备方法。
多孔碳材料根据其孔径可分为微孔（孔径<2nm）；中孔（2nm<孔径<50nm）；大孔（孔径>50nm）。
传统的多孔碳材料，例如活性炭和碳分子筛，被热解和物理或是被有机体化学活化合成的。
有机体包括在高温下的煤、风、果壳、聚合物[1-3]。
这些碳材料通常在中孔和微孔范围内有广泛的孔径分布。
活性碳和碳分子筛已大批量生产并被广泛用于吸附、分离和催化方面。
微孔碳材料综述的主要进展包括（a）合成碳材料（表面积高达3000m2g-1）[4,5]使用的氢氧化钾,(b)带有卤素气体的碳选择性反应可控制碳材料产生的微孔大小[6]。
后一种方法使用碳化物为碳源，并且卤素气体选择性的除去金属离子。
这种化学蚀刻法产生一个具有很窄的粒度分布的微孔。
这些碳材料产生的微孔能提供高比表面积、大孔容、吸附气体和液体。
尽管微孔材料被广泛应用在吸附分离和催化上，生产使用的方法遭到限制。
介孔碳 处理
介孔碳处理介孔碳是一种具有高度有序孔道结构的碳材料，具有大孔、中孔和小孔三种孔径结构。
由于介孔碳具有高比表面积、大的孔容量和良好的化学稳定性，它可以应用于吸附、分离、催化和电化学等多个领域。
首先，介孔碳在吸附领域有着广泛的应用。
由于介孔碳拥有大孔和中孔结构，因此具有较大的孔容量和高比表面积，使其具有较高的吸附性能。
介孔碳被广泛应用于环境领域，如水处理和空气净化等。
介孔碳吸附材料可以有效去除水中的有机物、重金属离子和废水中的有毒物质。
在空气净化方面，介孔碳可以吸附空气中的有机污染物和恶臭物质，提高空气质量。
其次，介孔碳在分离领域也有着重要的应用。
由于介孔碳具有不同孔径的孔道结构，可以利用其孔径选择性分离不同分子的能力。
例如，介孔碳膜可以实现分子筛分离，具有分离气体混合物和分离原油中的油水混合物等应用。
此外，介孔碳材料还可以用于制备高效的离子交换体或膜，用于离子的选择性吸附和分离。
此外，介孔碳具有优异的催化性能，因此在催化领域也有着广泛的应用。
介孔碳可以作为载体或催化剂的支撑材料，在化学反应中起到增强催化活性和稳定性的作用。
例如，将金属纳米颗粒负载在介孔碳上，可以制备高效的催化剂用于气相和液相反应。
此外，介孔碳还可以制备成光催化剂，用于可见光催化水分解和有机物降解等。
最后，在电化学领域，介孔碳也具有重要的应用潜力。
由于介孔碳具有大孔和中孔结构，具有较高的导电性和良好的电化学稳定性，可以用作电极材料。
例如，将介孔碳用作锂离子电池的负极材料，可以提高电池的放电性能和循环寿命；同时，介孔碳还可以用于制备超级电容器电极材料，具有高能量密度和高功率密度的特点。
综上所述，介孔碳在吸附、分离、催化和电化学等多个领域具有重要的应用潜力。
介孔碳的有序孔道结构和优异性能为其在各个应用领域的研究和开发提供了广阔的空间。
随着科学技术的不断发展，相信介孔碳材料将在更多领域展现出重要的应用价值。
介孔材料PPT课件
孔径大于50nm
气凝胶、多孔玻璃、 活性炭
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定义：以表面活性剂分子聚集体为模板,利用溶胶-凝胶(sol-gel)、 乳化(emulsion)、微乳化(microemulsion)等化学过程，通过有 机物和无机物之间的界面作用组装生成的一类孔径在2.O-50nm之 间、孔径分布窄且具有规则孔道结构的无机多孔固体材料。
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介孔材料的制备
方法：水热合成法，室温法、微波合成法、湿胶焙 烧法、相转变法及在非水体系中的合成法等。 合成原材：无机物种(形成介孔材料骨架元素的物质 源)、表面活性剂(形成介孔材料的结构导向剂)、溶剂 (通常为水）
合成路线：
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有序介孔硅材料的合成过程示意图
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三种主要组分是： (1)用来构造孔壁结构的无机物种(前 驱体)。选择无机物种的主要依据是溶胶-凝胶化学，即 原料的水解和缩聚速度必须适当，且经过水热等处理后 缩聚程度提高。根据介孔材料骨架元素的组成，无机物 种可以是直接加入的无机盐或预先形成一定聚合度的无 机低聚体，也可以是水解后产生无机低聚体的有机金属 氧化物；(2)自组装(介观结构形成的过程)时起决定导向 作用的模板剂(表面活性剂)。介孔材料合成体系中所采 用的表面活性剂有阴离子、阳离子、非离子、两性表面 活性剂等类型；(3)作为反应介质的溶剂相。
EISA 的合成技术采用的是典型的sol-gel 化学。首先，在有机 溶剂中，硅源（TEOS）在微量酸的催化下发生预水解，生成硅 的低聚体，并与表面活性剂发生相互作用。在溶剂的挥发过程 中，硅物种进一步发生交联、聚合，表面活性剂浓度增大。在 这个过程中，表面活性剂经过了分子、胶束、液晶的不同形态， 最后，它与无机硅形成的二元液晶相被固定下来。
• 相对于传统的由上而下(top-down)的微制造技术，软 模板法在制造纳米材料方面采取了自下而上 （bottom-up）的策略。
碳材料科学ppt课件
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炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
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金属填充富勒烯
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金刚石
金刚石薄膜
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1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分 子；
1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
—金属颗粒和金属线
2、碳纳米洋葱（实心和空心）
3、纳米碳管、石墨烯及其树脂基复 合材料
新型能源炭材料
4、介孔碳材料（有序，气凝胶）
1、Li+电池负极材料炭材料的设计
—炭基材料（天然石墨、树脂炭、碳管、石墨烯等）
2、大功率充放动力型锂电池电极材料 —纳米碳/金属复合材料
3、超级电容器电极材料
3
炭 微 球
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Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
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锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。
报告题目：We and Carbon 11
第一部分 绪言
一、炭材料的多样性
1、碳的多样性
碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是
20nm
HREM images of carbon encapsulated iron nanorods from YD heated at 480 ℃ in the presence of ferrocene content of 40.0 wt. %
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合成方法
Adv. Mater. 2006, 18, 2073–2094
介孔碳材料
• Meso-porous carbon materials are very important for appl ications involving large molecules, such as adsorbents for dyes, catalyst supports for biomolecules, and electrodes f or biosensors.
Catal Lett (2009) 129:20–25
Meso-porous
固定床数据
交换4次后 浸渍法添加助剂Ce，Sn，Gr， Al ，Z n
Y Axis Title
1000 800 600 400 200 0 0
20110827
10
20
30
40
50
X Axis Title
Urea s
Adv. Synth. Catal. 2005, 347, 225– 230
液相实验数据
b c
a：氢气还原 b：催化剂的酸中心2倍 c：反应时间为2h
• Cnts 有可能阻碍了酸中心使得反应转化率明显降低；
• 引入TEOs凝胶，反应转化率较低，选择性40%左右，是在最近设计得到的固体催化剂中 最高的。可能的原因是像文献里所说凝胶起到了微通道的效果。
J. AM. CHEM. SOC. 9 VOL. 131, NO. 12, 2009 4543
纳米微反应器
Chemical Engineering Science 66 (2011) 5366–5373
借助微通道反应器的特点进行的化学 反应的改进
Applied Catalysis B: Environmental 102 (2011) 232–242
碳材料（部分）的微反应体
系
姚月 110924
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Contents
1 background 2 Meso-porous carbon materials 3 microreactor 4 实验部分
LOGO
多孔材料
• Porous carbon materials have been applied to gas separa tion, water purification, catalyst supports, and electrodes for electrochemical double layer capacitors and fuel cells .