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介孔碳材料是近年来材料科学领域研究的热点。和其它无机材料相比,这种材料具有其独特的优越的物理和化学性能,比如较高的电导率和热导率,较强的化学稳定性以及较低的密度等,已经被广泛应用于催化,燃料电池,分离,储氢等领域。有序介孔碳材料(OMC)是碳材料重要组成部分,因其高度有序的孔结构,较高比表面积以及均一孔径,所以在纳米反应器,储能领域表现出比普通介孔材料更为优越的性能。
制备有序介孔碳材料的方法主要是硬模板法,即将作为碳源的前驱体(一般为糠醛树脂,酚醛树脂等聚合物)灌注进介孔硅基底的孔道中,经过交联,碳化以及去除模板等步骤得到与模板结构相同的有序介孔碳材料。经过十几年的发展,硬模板法合成介孔碳材料的技术条件越来越成熟,各种不同孔径结构的有序介孔碳材料被成功合成。
随着对有序介孔碳材料研究的深入,硬模板法的弊端,比如刻蚀条件苛刻,所得材料机械强度低,与模板相比有序度较差等也显现出来。为了解决这些问题,近年来,一种不需要刻蚀硅模板,将介孔硅视作材料不可或缺组成部分的硅碳复合介孔材料被成功制备。这种材料兼具碳材料的导电导热性以及介孔硅材料较高的机械强度和有序结构,因此具有非常广阔的应用前景。
本课题以芳香类的烯二炔化合物为碳前驱体,通过湿法灌注将其引入介孔硅的孔道内,然后经过热引发的Bergman环化反应将烯二炔前驱体交联成聚萘高分子膜,最后高温碳化得到介孔硅支持的有序纳米碳膜材料SS-CNM(silicasustainedcarbonnanomembrane),并对其在纳米反应器和电化学超级电容器两个领域的应用做了如下几方面的研究:
(1)以SS-CNM为载体,通过湿法真空浸渍的方法将钯纳米粒子引入到孔道内部,制备出钯负载的SS-CNM纳米反应器Pd@SS-CNM,并应用在水相的Suzuki催化偶联反应中。通过核磁(NMR),气相色谱(GC),X射线衍射(XRD),电感耦合等离子体发射(ICP-AES)等测试手段证明这种以硅碳复合介孔材料为载体的纳米反应器具有较高的催化活性和循环寿命,并且钯的泄露量只有0.12%,是非常理想的非均相碳碳偶联反应催化剂载体。
(2)将SS-CNM应用到双电层超级电容器领域,经过一系列电化学测试,发现以SS-CNM作为超级电容器的电极材料,在水相电解液和有机相电解液中的比电容可以分别达到305F/g和205F/g,表现出优异的电化学性能。
(3)以不同孔径的介孔硅材料作为基底,制备出较小和较大孔径的SS-CNM材料SS-CNM-SP和SS-CNM-LP,通过对比SS-CNM-SP,SS-CNM,SS-CNM-LP三种材料的电化学性能差异,探索了材料孔结构对比电容的影响。
(4)以SS-CNM为载体,将四种过渡金属氧化物(Co3O4,MnO2,SnO2,NiO)通过湿法真空浸渍的方法负载在了孔道中,得到了硅-碳-金属氧化物复合材料,并将这四种材料用作法拉电容超级电容器电极材料领域。研究了不同种类的金属氧化物对材料法拉比电容的影响,最终证明SS-CNM的存在能够有效提高金属氧化物的比电容,得到非常理想的法拉电容超级电容器的电极材料。