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炭气凝胶的新方法制备及其应用.pdf
炭气凝胶是一种具有独特三维纳米网络结构的轻质纳米中孔炭材料,在能源、环保、催化等领域具有广泛的应用前景。但迄今为止,绝大多数炭气凝胶的制备仍旧采用CO2超临界干燥法。该法制备周期很长,交换和超临界干燥过程中消耗大量的液态CO2,导致炭气凝胶生产效率低、成本高,严重制约了炭气凝胶的应用。因此,探索新的制备原理,改进制备方法是炭气凝胶研究能否取得实质性突破的关键所在。围绕炭气凝胶制备方法的改进和创新,本论文紧紧抓住(1)原料选择与纳米结构控制,和(2)干燥原理与纳米结构控制这两个关键问题,从超临界干燥工艺改进开始,逐步深入地发展了有机溶剂交换—超临界干燥方法、直接有机溶剂超临界干燥方法、有机溶剂常压干燥方法,最后通过微乳液模板调控溶胶—凝胶聚合反应(MTSGP)这一合成有机凝胶的新方法,发展了绿色环保、工艺简便、所得气凝胶结构性能优良的水溶剂常压干燥方法。本论文采用SEM、TEM、N2吸附仪、表面张力仪、SAXS、XRD、万能电子试验机、压汞仪、FTIR、TG和拉曼光谱仪等现代分析手段对系列新制备方法的原理,材料的纳米结构控制进行了深入的研究,并采用IGA和电化学工作站等现代分析手段对炭气凝胶在吸附和储电方面的应用进行了初步探索,得到如下研究成果: 1.炭气凝胶的有机溶剂超临界干燥制备法的改进和优化 利用适量NaOH作为催化剂,提高了苯酚的反应活性和苯酚—甲醛(PF)齐聚物的水溶性,从而实现了PF水相凝胶化反应,得到PF凝胶,并经水—乙醇交换和乙醇超临界干燥得到PF气凝胶和炭气凝胶;PF水相凝胶化反应速率和气凝胶的密度可通过PF含量、凝胶化温度、P与NaOH摩尔比(P/NaOH)和P与F摩尔比(P/F)等制备条件进行调控;PF气凝胶和炭气凝胶具有典型的三维纳米网络结构。 有机相凝胶化反应通常采用酸性催化剂,导致因糠醛(F´)自聚而引起残单率高且生成的有机凝胶交联度低。为此,本论文提出两个解决方案:(1)利用较易溶解NaOH的乙醇代替通常的异丙醇作为反应场所和超临界干燥介质,从而成功地利用无机碱性催化剂实现了有机相凝胶化反应。(2)根据凝胶化反应在有机溶剂中进行的特点,提出了使用有机碱性催化剂的思路,实验发现六次甲基四胺(HMTA)可作为优良的有机碱性催化剂。
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