多孔碳材料制备与应用

摘要

离子液体因为具有绿色环保、不易挥发、稳定性高以及结构设计性强等特点，最几年在合成碳材料中的应用引起了人们的广泛关注[1]。且因多孔碳材料质量轻，法及其相关表征。稳定性好，耐高温，耐酸碱，无毒性，吸附性好等优点而在多领域中被广泛应用。本文主要介绍的是以PEI(聚醚酰亚胺Polyetherimide)为原料制备离子液体前驱体并制得碳材料的方法。首先通过向原材料PEI中加入溴乙腈(BrCH2CN)制备离子液体前驱体，向得到的离子液体前驱体中加入二氰胺银[AgN(CN)2]进行阴离子交换反应，最后通过活化法得到多孔碳材料。这种方法的最大优点是有较高的碳产率。

关键词：离子液体、阴离子交换法、多孔碳材料

Abstract

In recent years，the application of ionic liquid in the synthesis of carbon materials has aroused extensive attention because of its features, such as green, less volatile, high stability and structural design of characters. And because the porous carbon material with light weight, good stability, high temperature resistance, acid and alkali resistant, non-toxic and good adsorption, it has been used in many fields. This paper mainly introduces the PEI (Polyetherimide) prepared for ionic liquid precursors, methods of carbon materials and related characterization. First by PEI of raw materials to join bromoacetonitrile (BrCH2CN) of ionic liquid precursor preparation, obtained by ionic liquid precursor to join dicyanamide silver [AgN (CN) 2] by anion exchange reaction, the activation method of porous carbon materials. The greatest advantage of this method is that there is a high carbon yield.

Keywords: Ionic liquid, anion exchange, porous carbon material.

前言

近年来多孔碳材料成为一种新型的快速发展起来的新型材料体系，在各个领域中的应用得到了广泛地关注，特别是在能源相关领域的应用。多孔材料因为结构上具有较高的孔隙率而具有一些相应的优异性能。多孔材料分为多孔金属材料（也就是所谓的泡沫金属）、非金属多孔材料（包括多孔陶瓷材料、多孔碳材料、多泡玻璃等）[2]。因为多孔材料孔道排列规则且孔道尺寸可以调节控制的优点，大比表面积和大的吸附量，它在大分子催化，吸附及分离，纳米材料组装等众多领域中具有较为宽泛的应用前景。

众多的多孔材料中，多孔碳材料由于具有成本低、质量轻、无毒害、表面化学惰性、耐高温耐酸碱、高机械稳定性、良好的导电性、吸附性以及大的比表面积和孔体积等特点，在CO2吸附、储氢、催化以及燃料电池与电化学双电层电容器等领域显示出巨大的应用潜力而备受各界关注。各种各样的碳材料被不断的发现，其中包括碳纳米管、碳气凝胶、玻璃碳以及比表面积活性碳等，最近几年来，碳纳米管、碳气凝胶、活性碳受到众多研究者的青睐。这些碳材料均属于多孔碳材料的范围。

传统上，这些材料通过低蒸汽压力或天然的合成聚合物的碳化合成。然而，由于聚合物有限的溶解度和复杂的合成，通过聚合物碳化的相关程序是复杂并且费时的。近年来，离子液体（ILS），由完全的阳离子和阴离子，已成为一个碳前躯体家庭的新成员。这种新的碳材料前躯体------离子液体，受到大众的广泛关注，离子液体，也被称为低温熔融盐，一般由有机阳离子和无机阴离子组成且在低温（＜100℃）下呈液态。离子液体具有很多优异的性质，如良好的化学定性和热稳定性、较低的熔点、高的离子导电性、良好的溶解性、可忽略的蒸气压、优异的加工性以及较强的结构设计性等[3]。

以离子液体作为形成多孔碳材料的前驱体制备出高比表面积的碳材料在近年也开始发展起来。经过恰当的分子设计和组合，离子液体和聚离子液体都可以被用来直接或间接制备各种碳材料及相关纳米杂化催化材料并拥有广泛的应用前景。

随着科学技术与工业生产的高速发展，我们需要在研究多孔碳材料的道路上作出更多的努力，作出比表面积更大，性能更优异的多孔碳材料。

第一章绪论

1.1多孔碳材料简介

1.1.1多孔碳材料概念

多孔碳材料是指具有不通孔结构的碳素材料，它们孔的尺寸从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔到可以适用于微生物增殖及活动的微米级细孔。多孔碳材料作为一种新的材料，具有耐高温、耐强酸强碱、导电、传热的众多优点。各种各样形态的活性炭是这种材料及其典型的例子，在气体吸附，光电磁，燃料电池，双层电容器等多个领域多个范围都得到了广泛地应用。

1.1.2多孔碳材料的分类

依据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC 1972）的规定，根据孔道尺寸大小可以将多孔碳材料分为以下几类：微孔（D<2nm）,中孔也称为介孔（2nm50nm）。

表1-1 多孔材料分类举例

种类孔径范围举例微孔碳材料以小于2nm的微孔为主沸石、分子筛、活性炭

中孔碳材料以2-50nm的中孔为主气溶胶、层状黏土、MCM-41

大孔碳材料以大于50nm的大孔为主多孔玻璃

从孔道是否闭合可分为：交联孔、通孔、闭孔、盲孔；从孔道形状上可以分为：裂缝孔、锥形孔、筒形孔、球形、孔及裂缝等。

图1-1孔的类型图1-2 孔的形状

图1-3 孔径的分类