内模版法构筑有序介孔碳材料毕业论文
2021-05-18 23:03:48
摘 要
本文主要研究了介孔碳材料的新型制备方法内模板法，该法充分结合了硬模版法和软模板法的优势，采用苯酚型resol树脂为制备介孔碳材料的碳源，合理引入腰果酚，并通过改变腰果酚含量来控制合成的苯酚型resol树脂的软段部分和硬段部分的比例，从而构造合理的链接分布，并以高温煅烧热解掉软段致孔，留下硬段构建碳骨架的方式制备介孔碳。
实验研究了在酚醛树脂合成过程中，腰果酚含量、加料方式和反应温度等因素对可发性酚醛树脂的影响。结果表明：当甲醛和苯酚的官能团比为1.2：1时，催化剂的用量为腰果酚的物质的量的2.45 %且分两次加入，反应体系在65-70 ℃反应3 h，再在85-90 ℃保温反应2-2.5 h时，反应体系安全高效，树脂具有较好的可发性和适中的活性。
在预处理过程中，热固化处理确定了制备介孔碳较为适宜的煅烧温度在900 ℃左右。发泡固化时，研究了乳化剂和固化剂的用量配比以及腰果酚含量对制备的酚醛泡沫的影响，并合理优化了酚醛泡沫的生产工艺。结果表明：当使用5 wt%的EL-20为乳化剂，6 wt%的30-60 ℃沸程的石油醚为发泡剂，10 wt% 自配的混合酸为固化剂时，制备的泡沫密度均匀，泡孔细腻，发泡效果较好。
酚醛树脂的粘度和SEM测试结果表明：腰果酚含量为80 %时，树脂黏度较大且更适合发泡，制得的发泡体表面细腻平整，其通过煅烧得到的介孔碳孔径较为均匀。
关键词：有序介孔碳；内模板法；酚醛树脂；腰果酚；发泡固化
Abstract
In this paper, we mainly study a new method for preparation of ordered mesoporous carbon materials-inner template method. The method combines the advantages of hard template method and soft template method. As-made resol type phenol resin as carbon source was used for the preparation of mesoporous carbon materials. Its innovation lies in the introduction of cardanol, and through changing its cardanol content to control the ratio of phenol resol resin’s soft segment and the hard segment. In order to construct uniform pore size and a link to a reasonable distribution, sacrificing the soft segment for pore, and leaving hard segment as carbon framework due to high temperature dealing. At last, the mesoporous carbon is prepared well.
This paper also focuses on the study of the effects of cardanol’s content, feeding ways and temperature in the process for synthesis of phenolic resin. The results show that the F/P is 1.2:1, catalyst’s amount is 2.45 % of the amount of substance of cardanol, and added twice, firmed reation temperature is 65-70 ℃ for 3h, reacted in 85-90 ℃ for 2.5 h. The reaction system which with moderate activity, is safe and efficient.
In the pretreatment process, the appropriate calcination temperature of the mesoporous carbon was determined in the resin curing. Emulsifier, curing agent and cardanol’s content were discussed for optimal foaming process. The results show that while using EL-20 5wt% emulsifier and 6 wt% of 30-60 ℃ boiling range of petroleum ether as foam agent and 10 wt% with mixed acid as curing agent, obtained foam has uniform density and fine cells.
The results showed that cashew phenol content is 80 %, resin viscosity is larger and more suitable for foaming. Obtained foam has smooth surface, and the mesoporous cardanol’s pore size is more uniform.
Key Words: ordered mesoporous carbon; inner template method; phenolic resin; cardanol; foam
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 有序介孔碳的制备方法 2
1.2.1 模板法 3
1.3 选题意义和研究内容 5
1.3.1 选题意义 5
1.3.2 研究内容 6
第二章 酚醛树脂的合成 7
2.1 实验内容 7
2.1.1 主要实验仪器和原料 7
2.1.2 酚醛树脂的合成原理 8
2.1.3 苯酚型resol树脂的合成 9
2.1.4 苯酚型树脂的脱水处理 10
2.2 腰果酚-酚醛树脂的测试与表征 11
2.2.1 腰果酚酚醛树脂粘度测试 11
2.3 结果与讨论 11
2.3.1 加料方式对树脂合成的影响 11
2.3.2 反应温度对酚醛树脂性能的影响 11
2.3.3 腰果酚含量对酚醛树脂的影响 11
2.4 本章小结 12
第三章 介孔碳的合成与表征 13
3.1 实验部分 13
3.1.1 实验主要仪器和原料 13
3.1.2 腰果酚-酚醛树脂预处理 13
3.1.3 酚醛泡沫的制备工艺 14
3.1.4 煅烧处理 15
3.2 酚醛泡沫的测试与表征 15
3.2.1 扫描电镜测试 15
3.3 结果与讨论 15
3.3.1 腰果酚含量对酚醛泡沫的影响 15
3.3.2 乳化剂用量对酚醛树脂泡沫的影响 16
3.3.3 酸固化剂配比对酚醛树脂泡沫发泡的影响 17
3.4 本章小结 18
第四章 结论与展望 19
4.1 课题结论 19
4.2 课题展望 19
参考文献 20
致谢 22
第一章 绪论
1.1 前言
在21世纪，由于石油的日益枯竭以及人们对石油的过度依赖所导致的环境污染，使得对可再生的清洁能源的寻求和开发迫在眉睫。在未来的可再生清洁能源组成方面，当前的风能、太阳能等发电仍然存在着不稳定的缺陷，而电能则不失为一种稳定而高效的能源，只需对储电设备进行技术升级，就能很好的缓解当前的能源短缺的现实，同时也可以拓展电气车辆和便携式消费电子设备的适用范围[1]。当前的高性能储能设备多种多样，而超级电容器凭借其快速的能量传输能力、优越的能量储存能力和近乎无限的可循环性而备受科学家们的青睐，成为当前十分热门的一种高性能的能量储存设备[2]。也就是说，在未来的能量储存方式上，超级电容器将会为实现该目标起到关键的作用。超级电容器，又称电化学电容器，起始于20世纪60年代，是目前最为理想的能量储存设备之一。它是一种介于二次电池和传统平板电容器之间的新型储能设备，可以同时提供高能量密度和高功率。正因为如此，它们适合很多功率波动范围较大的应用。目前，超级电池主要应用于交通运输领域[3]。例如，电动车在启动和加速等场合对能量的需求差异大，瞬时大电流放电还会加速动力电池性能的衰退。此时，超级电容器较传统的动力电池在快速充放电效率和循环寿命上表现出极大的优越性。将超级电容器和传统动力电池结合，既满足了瞬时大电流放电的需求，在电流达到最大时保护电池，又能将瞬时电流储存于超级电容器中，提高经济效益[4]。类似于电池，超级电容器主要包括正负极、电解质和隔膜。其中，电极材料对超级电容器的性能起着重要的决定作用。近年来，超级电容器用的电极材料得到了极大地发展，其中碳类材料作为一种最好的电极材料被广泛研究，其优点在于导电性好、孔隙度可控性强、比表面积高、化学稳定性优良，同时其氧化还原反应的电催化活性点低[5]、使用温度范围广，且原料丰富、成本低、易加工[6]。对作为电极材料的碳材料的研究已经从多种形态如粉末、块状、纤维、布、毡等以不同方法控制，到发展为活性炭、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、介孔碳、石墨、石墨烯、碳化物骨架碳和纳米门炭等类别[7]。各种碳材料性能参见表1.1。在碳材料中，介孔碳作为一种常见的电极材料，研究较多。IUPAC按孔径的大小定义了大孔（孔径gt;50 nm）、介孔(2 nmlt;孔径lt;50 nm)和微孔（孔径lt;2 nm）类碳材料。对介孔碳材料来说，提高其表面积，有利于提高其作为超级电容器的比电容；而对其孔径的合理控制有利于改善各类电解质物种的有效传输效率，提高超级电容器实际的能量密度与功率。多孔碳材料凭借其众多优越的物理和化学性质已被广泛应用到现代科技生活当中。例如，分离过程中的吸附剂、超级电容器和燃料电池中的电极材料、天然气储存介质和催化反应载体等。近年来，研究者们一直改进现有的生产技术，并且不断引进新型的制备方法，在制备多孔碳材料上取得了很大的进展。传统的多孔碳材料在中孔和微孔范围内孔道不规则，孔径分布较宽，在应用上有相当大的限制。随着多孔碳材料应用领域的逐步拓宽，具有均匀孔径和有序结构的多孔碳材料成为科学界的研究热点。
表1.1 常见的超级电容器的多孔碳电极材料
