有序介孔碳材料的软模板合成、结构改性与功能化
介孔碳和介孔炭
介孔碳和介孔炭介孔碳和介孔炭是一类具有大量孔隙结构的碳材料，其内部具有相当数量的介孔，其孔径通常在2到50纳米之间。
介孔碳和介孔炭因其独特的孔隙结构而受到广泛关注和研究，被认为是一类重要的功能材料。
本文将介绍介孔碳和介孔炭的制备方法、特性及应用领域。
一、制备方法介孔碳和介孔炭的制备方法多种多样，常见的方法包括模板法、溶胶-凝胶法、流化床法等。
1. 模板法模板法是最常用的制备介孔碳和介孔炭的方法之一。
该方法首先制备一种具有周期性孔隙结构的模板材料，如硅胶、有机胺或聚合物等。
然后在模板材料上分散碳前体，如葡萄糖等，通过热处理或碳化使其转化为介孔碳或介孔炭。
最后通过模板的去除，即可得到孔隙结构完整的介孔碳和介孔炭。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是另一种常用的制备介孔碳和介孔炭的方法。
该方法通过将碳前体（如葡萄糖、甘油等）溶解在溶胶溶液中，并在适当条件下进行凝胶化和热处理，制备出具有孔隙结构的介孔碳和介孔炭。
3. 流化床法流化床法是一种高效的制备介孔碳和介孔炭的方法。
该方法首先将碳前体粉末放置在流化床反应器内，在适当条件下进行热解或碳化反应，生成介孔碳和介孔炭。
该方法制备的介孔碳和介孔炭孔隙结构较为均匀，具有较高的比表面积和孔容。
二、特性介孔碳和介孔炭具有许多独特的特性，主要包括以下几个方面：1. 高比表面积介孔碳和介孔炭由于其内部具有大量的介孔，因此具有较高的比表面积。
高比表面积使其有较强的吸附能力，可以吸附和储存大量的气体、液体和溶质，具有广泛的应用前景。
2. 调控孔径介孔碳和介孔炭的孔径可以通过制备方法的调控来实现。
不同孔径的介孔碳和介孔炭可以用于吸附、分离、催化等不同领域的应用。
因此，介孔碳和介孔炭的孔径调控对其应用性能具有重要影响。
3. 良好的化学稳定性介孔碳和介孔炭由于其具有较完整的碳骨架结构，因此具有良好的化学稳定性。
它们在酸碱环境、高温条件下都能保持稳定的结构和性能，具有较长的使用寿命。
三维有序介孔碳
三维有序介孔碳1. 介绍三维有序介孔碳是一种具有高度有序的孔隙结构和大比表面积的碳材料。
它由连续的纳米尺寸的孔道和壁组成，这些孔道和壁之间形成了一个复杂且有序的网络结构。
三维有序介孔碳具有许多优异的性质，包括高度可调控的孔径和比表面积、优异的化学稳定性、良好的导电性和机械强度等。
因此，它在各种领域中得到了广泛应用，例如能源存储与转换、催化剂支持体、吸附剂等。
2. 制备方法2.1 硬模板法硬模板法是一种常用于制备三维有序介孔碳的方法。
该方法使用硬模板（如硅胶、氧化铝等）作为模板，在其表面沉积碳源（如葡萄糖、葡萄糖胶等），经过炭化和去除硬模板后得到三维有序介孔碳材料。
制备步骤： 1. 将硬模板进行预处理，如烧结、表面修饰等。
2. 在硬模板表面均匀沉积碳源。
3. 将样品进行炭化处理，通常在惰性气氛下进行高温煅烧。
4. 使用酸或其他方法去除硬模板，得到三维有序介孔碳。
2.2 软模板法软模板法是另一种常用的制备三维有序介孔碳的方法。
该方法使用软模板（如界面活性剂、聚合物等）来调控碳材料的孔隙结构和形貌。
制备步骤： 1. 将软模板溶液涂覆在基底上，并使其在表面形成一层薄膜。
2. 在软模板薄膜中加入适当的碳源。
3. 进行炭化处理，通常在高温下进行。
4. 去除软模板，得到三维有序介孔碳。
3. 特性与应用3.1 孔隙结构与比表面积三维有序介孔碳具有高度可调控的孔径和比表面积。
通过调整制备条件和选择不同的模板材料，可以得到不同尺寸和形貌的孔道。
这些孔道可以提供大量的活性表面，增加反应物与催化剂之间的接触面积，从而提高反应效率。
3.2 化学稳定性三维有序介孔碳具有优异的化学稳定性。
其碳材料具有高度有序的结构，能够抵抗各种化学物质的侵蚀和破坏。
这使得三维有序介孔碳在催化剂支持体和吸附剂等领域中得到了广泛应用。
3.3 导电性与机械强度由于三维有序介孔碳具有连续的孔道和壁结构，其导电性和机械强度较高。
这使得它在能源存储与转换领域中具有潜在的应用前景，如超级电容器、锂离子电池等。
有序介孔材料组装功能材料及性能研究的开题报告
有序介孔材料组装功能材料及性能研究的开题报告【开题报告】题目：有序介孔材料组装功能材料及性能研究导师：XXX学院：XXX学生：XXX一、研究背景和意义有序介孔材料在材料科学领域中具有广泛的应用，例如作为催化剂、化学分离和传感等。
随着先进制备技术的发展和实际应用领域的拓宽，有序介孔材料的制备和功能材料的组装及性能研究也越来越受到关注。
目前，许多科学家在有序介孔材料中引入一些功能单元，制备出一些新型的功能材料，如光催化剂、气敏材料、电催化剂、生物传感器等。
这些材料在环境治理、新能源开发、生物医学等方面产生的应用效益巨大。
因此，本研究将有序介孔材料和功能材料进行组装，并研究其性能，旨在使得材料的综合性能得到提升，为相关领域的研究和应用提供新的思路和方向。
二、研究内容和目标本研究将主要从以下三个方面进行深入的研究：1. 有序介孔材料的制备和表征；2. 功能单元的引入及组装；3. 功能材料的性能研究。
具体来说，本研究将采用硅烷水解剂法、模板法等方法制备出有序介孔材料，并利用XRD、TEM等工具对材料进行表征。
同时，将引入一些功能单元，通过修饰和改变材料的表面性质来改变材料的性能，如增强材料对特定环境的敏感性、提高催化效率等。
最后，将对组装得到的功能材料进行性能测试，并比较其与原材料的差异。
本研究的主要目标是：1. 制备出结构稳定的有序介孔材料；2. 将功能单元成功引入有序介孔材料中，组装出具有一定性能的复合材料；3. 评价组装得到的功能材料的性能和使用价值。
三、研究方法和计划本研究将采用硅烷水解剂法、模板法等方法制备出有序介孔材料。
然后，通过改变材料表面的化学性质将一些功能单元引入材料中，并利用表征工具对材料进行表征。
在组装功能材料方面，将采用不同的方法对有序介孔材料和功能单元进行组装，以获得能够满足特定应用的功能材料。
最后，将对组装得到的功能材料进行性能测试，包括光催化性能、气敏性能、电催化性能等方面的测试，并对其使用价值进行评价和分析。
介孔材料
模板法制备介孔碳介孔材料是近年来国际上跨学科的研究热点之一，其在催化、吸附、光学器件和生物医药等领域中有着许多潜在的应用价值。
本论文讲述了介孔碳的定义，分类及其液晶模板机理、电荷匹配机理、电作用模型、棒状自组装模型、层状折皱模型五种合成机理。
介绍了介孔材料的常见的表征手段，又通过实例简单的概述了一些介孔材料的制备方法。
介孔材料作为一种新兴热门碳，本论文又展望了它的未来前景。
1.1介孔材料的定义介孔材料是指孔径介于2-50nm，具有显著表面效应的多孔碳。
由其定义可知，介孔材料不仅指孔径大小和纳米尺度，孔隙率和表面效应也是一个重要参数。
介孔材料的平均孔径和孔隙率可在较大范围内变化，这取决于所研究的与表面有关的性能。
对于具有介观尺度孔径2-50nm的介孔固体，对应的临界表面原子分数大于20％，其最小孔隙率必须大于40％。
一般，平均孔径越大，最小的孔隙率也越大。
纳米颗粒复合的介孔碳的复合体系，是近年来纳米科学应用性越来越引人注目的前沿领域。
例如，在水的净化处理中采用复合介孔碳可使净化效率大大提高，光电碳中使用复合介孔碳有利于新功能的发挥等等。
1.2介孔材料的分类按碳性质，介孔材料可分为纯介孔材料和复合介孔材料。
按照化学组成分类，介孔碳一般可分为硅系和非硅系两大类。
后者主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等。
由于它们一般存在可变价态，展示出硅基介孔材料所不能及的应用前景，但其热稳定性较差，煅烧时容易造成介孔结构塌陷，合成机理也不完善，因此对它的研究不如硅基介孔材料活跃。
按照介孔是否有序，介孔材料可分为无定形(无序)介孔材料和有序介孔材料。
前者如普通的SiO2气凝胶、微晶玻璃等，孔径范围较大，孔道形状规则；后者是以表面活性剂形成的超分子结构为模板，利用溶胶-凝胶工艺，通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装成一类孔径约在1.5-30nm，孔径分布窄且有规则孔道结构的无机多孔材料，如M41S等。
有序介孔碳作为一种多孔的纳米结构碳，被广泛应用作非均相催化剂、各类载体和离子交换剂等，在催化、吸附、分离、传感器以及光、电、磁等许多领域有着潜在的应用价值。
介孔碳 合成
介孔碳合成简介介孔碳是一种具有高度有序孔道结构的碳材料，具有大比表面积、丰富的官能团和可调控的孔径分布等特点。
由于其独特的性质，介孔碳在吸附分离、催化剂载体、电化学储能等领域得到广泛应用。
本文将详细介绍介孔碳的合成方法及其应用。
合成方法硅胶模板法硅胶模板法是最常用的合成介孔碳的方法之一。
该方法以硅胶作为模板，在其表面上沉积碳前驱体，经过热处理后，硅胶模板被溶解，留下了具有高度有序孔道结构的介孔碳材料。
溶剂挥发法溶剂挥发法也是一种常见的合成介孔碳的方法。
该方法通过在溶液中加入聚合物和表面活性剂，并利用溶剂挥发过程中形成的自组装结构来制备具有高度有序孔道结构的介孔碳材料。
硬模板法硬模板法是一种通过使用硬模板来合成介孔碳的方法。
硬模板可以是金属、陶瓷等，通过在硬模板表面沉积碳前驱体，并经过热处理和模板去除步骤，最终得到具有高度有序孔道结构的介孔碳材料。
其他方法除了上述三种常用的合成方法，还有一些其他的方法也可以用于合成介孔碳，例如水热法、电化学法等。
这些方法各具特点，在不同应用场景下选择适合的合成方法可以得到所需性质的介孔碳材料。
应用领域吸附分离由于介孔碳具有大比表面积和丰富的官能团，因此在吸附分离领域有着广泛应用。
通过调控介孔碳的孔径和官能团类型，可以实现对不同分子的选择性吸附和分离。
催化剂载体介孔碳作为催化剂载体具有很好的稳定性和可调控性。
将催化剂负载在介孔碳上，可以提高催化剂的分散度和活性，并且减少副反应的发生。
电化学储能介孔碳具有高度有序的孔道结构和良好的导电性能，因此在电化学储能领域有着广泛应用。
将介孔碳作为电极材料，可以提高电极的比表面积和离子传输速度，从而提高储能器件的性能。
结论介孔碳是一种具有高度有序孔道结构的碳材料，其合成方法多样，并且在吸附分离、催化剂载体、电化学储能等领域都有着广泛应用。
通过选择合适的合成方法和调控介孔碳的性质，可以实现对不同应用需求的满足。
未来随着科技的不断发展，介孔碳在更多领域将发挥重要作用，并为解决现实问题提供新思路和解决方案。
模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响
模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响 张雅心;张学军 【摘 要】分别以三嵌段聚合物F127、P123以及P123/F127作为模板剂,酚醛树脂为有机碳源,采用溶剂挥发自组装法制备有序介孔碳材料.采用XRD,TEM和N2吸/脱附等手段对有序介孔碳进行表征,研究F127、P123及P123/F127复合模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响.结果表明,使用单一模板剂时,F127较P123更易产生有序六方介孔结构;使用P123/F127复合模板剂,介孔碳有较好的二维六方有序性,介孔孔容和比表面积较单独使用F127作模板分别提高了50%与31%;当m(P123)/m(F127)=1/3时,所得介孔碳BET比表面积为498.5m2/g,介孔孔容和比表面积分别为0.173cm3/g和167m2/g,平均孔径为3.41nm.
【期刊名称】《北京化工大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2010(037)005 【总页数】5页(P83-87) 【关键词】介孔碳;三嵌段聚合物;孔径;孔容 【作 者】张雅心;张学军 【作者单位】北京化工大学,碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029;北京化工大学,碳纤维及功能高分子教育部重点实验室,北京,100029
【正文语种】中 文 【中图分类】TQ127.1 有序介孔材料是 1990年代初迅速兴起的一类新型纳米结构材料。与微孔沸石分子筛相比,有序介孔材料具有较大的孔径、比表面积和壁厚,而且还具有较高的热稳定性和水热稳定性,良好的导电性、疏水性和较高的机械强度,在多相催化、吸附分离、传感器、电极材料、光电磁微器件、纳米器件等高新技术领域具有广阔的应用前景。 介孔碳材料的制备方法有催化活化法、有机凝胶碳化法和模板法[1]。前两种方法的缺点是孔径分布较难控制,且孔径的均一性较差。而模板法不但能均匀控制孔径,且能制备高度有序的介孔碳材料。模板法中有机 /有机自组装法合成有序介孔碳材料在介孔材料合成领域具有里程碑的作用,不仅克服传统以硬模板法合成介孔碳材料费时、费力、多步的缺点,同时得到了与有序介孔氧化硅相同的有序开放孔的骨架结构。Tanaka等[2]采用合成硅基分子筛的合成思路,即液晶模板机理,以间苯二酚 /甲醛树脂为碳前驱体、表面活性剂为模板剂直接合成了有序碳分子筛膜;Zhang等[3]采用 A阶苯酚 /甲醛树脂为碳前驱体,不同表面活性剂为模板剂合成了不同孔结构的有序碳分子筛膜及粉末。 在有机/有机自组装法合成有序介孔碳材料的过程中,模板剂类型及分子结构对介孔材料的结构和性能有较大的影响,目前多采用三嵌段共聚物(E0nPOmE0n)为模板剂。Viveka等[4-5]和 Zhao等[6]认为,EO与 PO链段的比值决定了材料的介观结构;Liu等[7]以 F108(EO132PO50E0132)为模板剂,RF溶胶为碳前驱体,在弱碱性条件下制得了具有体心立方结构的 (I mam)的有序介孔碳;Zhao等[8]用实验室三嵌段共聚物为模板剂,可溶性低分子量的酚醛树脂为碳前驱体,成功制得了三维面心立方(Fd3m)类型双孔隙分布的有序介孔碳。 本文采用商业化的三嵌段聚合物 F127(E0106 PO70E0106)和 P123(E020PO70E020)作为模板剂,酚醛树脂为碳前驱体,采用溶剂挥发自组装法制备有序介孔碳材料,研究单一模板剂以及复合模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响。 1.1 主要原料 F127、P123,表面活性剂,西格玛奥德里奇 (上海)贸易有限公司;苯酚、甲醛,分析纯,北京益利精细化学品有限公司;NaOH、HCl、无水乙醇,分析纯,北京化工厂。 1.2 样品的制备 1.2.1 酚醛树脂的制备 采用苯酚,甲醛为原料,NaOH为催化剂。苯酚、甲醛、氢氧化钠的物质的量比为 2∶1∶0.1。合成过程如下:称取 6.11 g苯酚放入四口烧瓶中,在 43℃溶解后加入 1.30 gNaOH,搅拌 10min后,用恒压漏斗滴加 10.54 g的甲醛的水溶液 (质量分数为37%),继续升温,当温度达到一定范围后,反应 1 h,反应结束后,将液体倒入烧杯中放置冷却至室温,之后用 HCl调 pH值至 7.0,最后放入 50℃以下的真空干燥箱中烘 12 h,蒸发除去水,再加入无水乙醇配置成质量分数为 20%酚醛树脂溶液。 1.2.2 有序介孔碳的制备 称取表面活性剂倒入三口烧瓶中,加入乙醇加热使之溶解,于 40℃下搅拌,然后向三口烧瓶中加入有酚醛树脂的乙醇溶液,表面活性剂与酚醛树脂的质量比为 2∶3。继续搅拌。最后将液体转移到培养皿中。在室温条件下蒸发乙醇,大约 4 h后采用缓慢升温的方式蒸发乙醇。最后于 110℃烘箱中烘24 h,得到介孔聚合物。 将介孔聚合物放入碳化炉里,在氮气保护下碳化得到样品。碳化反应过程为:20～300℃,3℃/min;300～390℃,1℃/min;390℃恒温 1 h;390～500℃,1℃/min;500～800℃,3℃/min;800℃恒温30min。 1.3 样品的表征 采用 Rigaku D/max-2400型 X射线衍射仪 (日本理学)测定,激发源采用 CuKα靶,采用步进扫描方式,小角测试范围 0.5°～5°,扫描速度为 0.5(°)/min,步宽为 0.002,电压 40 kV,电流 50mA。 采用 H-800型透射电镜 (TEM,日本 Hitachi公司)对介孔碳表观形貌进行分析。 采用 NOVA4200e自动吸附仪 (美国 Quantachrome公司)。吸附前,所有样品均在 250℃下脱气12 h。实验数据处理方法如下:比表面积通过 BET(Brunauer-Emmett-Teller)法[9]计算得到;吸附剂的介孔孔径分布曲线由 BJH(Barrett-Joyner-Halenda)法[10]计算得到;孔径 D对应的是孔径分布曲线中的最高峰对应的横坐标值。 2.1 单一模板剂对有序介孔碳的影响 以酚醛树脂作为碳前驱体,分别使用 F127和P123两种三嵌段共聚物作为模板,在上述 1.2.2节条件下碳化得到最终产物。产物 XRD测试结果如图 1所示。 F127和 P123同属三嵌段共聚物 (EOnPOmEOn),用其作为模板剂,理论上来说应该出现相似或一致的结果,但实验结果与理论推测偏差较大。由于所用碳前驱体相同,所以实验结果的差异应该源自于F127和 P123的不同。对比 F127和 P123的结构可以发现,两者虽同为三嵌段共聚物,但是 EO与 PO链段的比值明显不同。三嵌段聚合物的模板剂加入溶剂中后,会形成棒状胶束[11]。当加入碳源酚醛树脂后,酚醛树脂中的羟基可以与 EO段的通过氢键作用,使其附着在表面活性剂胶束表面。在随后的高温碳化过程中,其中 PO段被烧出,其留下的空间就形成了介孔碳的孔道,而 EO嵌段与酚醛树脂收缩为骨架。 由于 P123(E020PO70E020)的 EO链段长度的远远小于 F127(E0106PO70E0106)的 EO链段长度,因此在高温碳化过程中以纯 P123为模板剂的样品骨架坍塌严重,无法形成有序孔道结构。由此可以推断出 EO与 PO链段的比值对介孔材料的孔隙结构与孔径大小具有一定的影响。因此,可以通过改变 EO与 PO链段的比值[4-6]来调控介孔材料的孔道结构与孔径大小。 2.2 复合模板剂对有序介孔碳的影响 根据上述试验结果与分析,在其他条件不改变的前提下,以不同比例混合的 F127和 P123作为模板剂,改变 EO与 PO链段的比值,能够制备出不同的介孔材料,样品标记为 CPx(x为 P123在活性剂中的质量分数)。 2.2.1 晶体结构 图 2是复合模板剂制备的介孔碳的 XRD测试结果。从图 2可以看出,所有样品均出现 2个明显的衍射峰,它们分别归属于六方晶系的 [100]和[110]晶面[10]。说明采用 P123/F127复合模板剂所制得的介孔碳具有介孔有序性,这与单独使用F127作为模板剂结果相类似。但是加入 P123后的样品均比单独使用 F127作为模板剂所得样品的[100]晶面衍射峰尖锐,表明加入一定量的 P123后样品的有序度在提高。但是,随着表面活性剂 P123加入量的提高,对应 2θ值依次减小,CP25、CP33和CP50对应 2θ值分别是 0.804°、0.756°和 0.746°,同时[100]晶面衍射峰的峰强会减小,并伴随发生衍射峰的宽化。这表明所合成介孔碳样品的有序度在依次减小。当 P123与 F127的质量比为 1∶3时,d100与 d110相对比例符合 1∶(1/3)[10],为典型的二维六方结构。 2.2.2 形貌 样品 CP0和样品 CP25的 TEM照片如图 3所示。图 3(b)呈现出大范围内有序的条形阵列结构,与图 3(a)相比,可以看出,在添加了 P123后,样品有序性较单独采用 F127有明显提高。 2.2.3 N2吸脱附曲线 图4是样品 CP0和样品 CP25的 N2吸脱附等温线。从图 4可知,二者均呈现出典型 LangmuirⅣ型吸附。在较低压区内,吸附层的厚度随着压力的增加而增加,在较高 p/p0处出现了明显滞后环,表现为介孔材料的特征[12]。其滞后环的形状为典型的六方孔道的吸脱附模型,这与 XRD的测试结果相吻合。 通过对两者进行氮气等温吸附测试,得到孔径分布,结果见图 5。从图 5可以看出,样品均具有较窄的孔径分布。 根据图 4和图 5计算得到孔隙结构参数见表1。
有序化膜电极 介孔碳
有序化膜电极介孔碳
有序化膜电极是一种具有高表面积和良好电化学性能的电极材料。
它通常由介孔碳材料制备而成。
介孔碳是一种具有高度有序排列的孔道结构的碳材料。
它具有大量的孔道和高比表面积，能够提供良好的离子传输和电子传导性能。
这使得介孔碳材料成为制备高性能电化学电极的理想选择。
制备有序化膜电极的方法通常包括以下步骤：
1. 选择合适的模板材料，如硅胶、二氧化硅等，作为介孔碳的模板。
2. 将模板材料浸泡在碳源溶液中，使碳源渗透到模板孔道中。
3. 将浸渍后的模板材料进行热处理，使碳源在高温下炭化形成介孔碳材料。
4. 将炭化后的介孔碳材料与导电剂和粘结剂混合，形成膜状电极材料。
5. 将膜状电极材料固定在电极基片上，形成有序化膜电极。
有序化膜电极具有高比表面积、良好的导电性能和较低的电化学阻抗，能够提高电极材料的电化学反应速率和能量存储能力。
它在能量存储领域，如超级电容器和锂离子电池等应用中具有广泛的应用前景。