介孔碳纳米球和碳纳米片的制备及其性能研究

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介孔碳材料拥有独特的结构、高的比表面积、耐腐蚀性强、易加工、环境友好、优异的导电性等物理化学性质,使其在吸附、气体储存、催化剂载体、超级电容器以及纳米反应器等方面得到了广泛应用。在大量实际应用中,人们越来越意识到介孔碳材料形貌控制合成的重要性。不同形貌的材料有不同的表达形式与特性,因此不同领域对材料形貌有不同的要求。到目前为止,人们己经制备出了多种存在形式(块状、粉末、纤维、薄膜、球形)的介孔碳材料。但目前的制备方法多集中于传统的硬模板法,需要先制备出硬模板,后对模板孔道进行反复填充。制备工艺繁琐耗时,且产物的结构很难进行调控。一步硬模板法,硬模板的形成和碳源的填充同步进行,避免了传统硬模版法耗时的环节,同时可以在合成途中通过简单改变实验条件来实现材料形貌的控制,在有序介孔碳制备中越来越受到人们的关注。本文利用一步硬模板法,以TEOS为硅源,合成了两种不同形貌的介孔碳,并研究了它们在催化剂载体以及超级电容器方面的应用,主要研究结果如下:  (1)以TEOS为硅源,酚醛树脂为碳源,采用一步硬模版法合成了酚醛树脂与二氧化硅的复合微球,通过进一步的高温碳化以及氢氟酸除硅得到了单分散的介孔碳纳米球(MCNs)。MCNs的比表面积与孔体积分别可达到1187 m2 g-1与1.254 cm3 g-1,且孔径分布集中在3.8nm处。以聚多巴胺替换上述的酚醛树脂作为碳源,采用相同的实验步骤得到了二维的碳纳米片(CNPs),其比表面积与孔体积分别为660 m2 g-1和0.127 cm3 g-1,并在3.8nm处也有较窄的孔径分布。  (2)以柠檬酸钠作为络合剂,乙二醇为弱还原剂,采用简单的水热反应成功制备了贵金属负载型催化剂Pt-Pd/MCNs(贵金属负载量为2% wt)。采用TEM、XRD和XPS等技术进行表征,并以4-NP催化加氢反应为探针,研究其催化性能。结果表明制备的Pt-Pd/MCNs催化剂中的Pt-Pd颗粒以合金的形式存在、具有较小的粒径以及较窄的尺寸分布,并且均匀分布在MCNs上。当合金比例Pd/Pt为3时,催化剂(Pt1Pd3/MCNs)拥有最佳的电子效应,表现出最高的活性,其速率常数与TOF值分别可达到0.044 s-1和8.15 s-1,并且在多次循环利用后仍能表现出很高的催化活性。  (3)以浓硝酸活化后的CNPs为骨架,硝酸钴、硝酸镍为钴、镍源,通过简单的共沉淀以及热处理得到了NiCo2O4@CNPs复合电极材料,并采用TEM、XRD、XPS等技术进行表征。结果表明超薄的NiCo2O4纳米片被成功包裹到CNPs上。制备的NiCo2O4@CNPs呈现出较好的电化学性质,在1 Ag-1的电流密度下,其比电容可以达到1265 Fg?1,即使电流密度增大到20 Ag-1其比电容依然可保持在900 Fg?1以上。在经历2000次充放电循环以后(2 Ag-1),NiCo2O4@CNPs的比电容仍然可以达到1185 F g-1,表现出优异的应用潜能。
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