多级孔碳材料的合成及应用

多孔碳材料具有比表面积大，孔隙发达，性能稳定，价格低廉等优点，在吸附，催化，分离，超级电容器，锂离子电池等领域具有广泛的应用前景。然而，单一孔道结构的碳材料在实际应用中存在一定的局限性。现实迫切需要发展综合各种孔道结构优点的新型多孔材料，即根据应用需求构建多级孔碳材料。因此特向读者推出《多级孔碳材料的合成及应用》一书，期望为从事相关研究工作的读者提供参考。 

多级孔碳材料是具有两种或两种以上孔道结构（包括微孔-介孔，微孔-大孔，介孔-大孔，微孔-介孔-大孔等）的一种新型多孔碳材料，本书主要对这种新材料进行介绍。全书共分7章，第1章和第2章对典型的碳材料进行介绍，并重点阐述了多级孔碳材料的合成方法。第3～7章分别对多级孔碳材料在染料吸附，气体吸附，储氢，超级电容器和锂离子电池等领域的应用前景和研究进展进行论述。本书可供高等院校材料学，化学等相关专业师生使用，为其从事相关教学和科学研究提供有益的参考。

第1章多孔碳材料概述1

 

1.1碳材料简介1

 

1.2多孔碳材料简介2

 

1.3多孔碳材料的合成方法3

 

1.3.1活化法3

 

1.3.2有机凝胶炭化法4

 

1.3.3共混聚合物炭化法5

 

1.3.4模板法5

 

1.4典型的碳材料8

 

1.4.1活性炭8

 

1.4.2活性炭纤维13

 

1.4.3碳气凝胶17

 

1.4.4介孔碳22

 

1.4.5碳纳米管27

 

1.4.6石墨烯34

 

1.4.7碳化物衍生碳39

 

参考文献43

 

第2章多级孔碳材料的合成方法48

 

2.1多级孔材料概述48

 

2.2多级孔碳材料概述49

 

2.3多级孔碳材料的合成方法50

 

2.3.1硬模板法51

 

2.3.2软模板法54

 

2.3.3双模板法55

 

2.3.4模板活化相结合法59

 

2.3.5高温炭化法61

 

2.3.6嵌段共聚物炭化法62

 

2.3.7炭化活化相结合法62

 

2.3.8高温卤化法64

 

2.3.9真空冷冻干燥法64

 

参考文献65

 

第3章多级孔碳在染料吸附中的应用69

 

3.1染料废水概述69

 

3.1.1染料废水的特点70

 

3.1.2染料废水的分类71

 

3.1.3染料废水的危害72

 

3.1.4染料废水的处理方法72

 

3.2碳质材料吸附剂74

 

3.2.1活性炭75

 

3.2.2介孔碳76

 

3.2.3碳纳米管76

 

3.2.4石墨烯77

 

3.3磁性碳吸附剂77

 

3.3.1磁性活性炭78

 

3.3.2磁性介孔碳78

 

3.3.3磁性碳纳米管78

 

3.3.4磁性石墨烯78

 

3.4多级孔碳在染料吸附中的应用研究进展79

 

3.4.1多级孔碳对染料的吸附79

 

3.4.2磁性多级孔碳对染料的吸附81

 

3.5块状多级孔石墨化碳对甲基橙的吸附83

 

3.5.1合成与表征84

 

3.5.2结构与性能84

 

参考文献89

 

第4章多级孔碳在CO2气体吸附中的应用92

 

4.1CO2的吸附法简介93

 

4.2碳基CO2吸附材料93

 

4.2.1活性炭94

 

4.2.2介孔碳95

 

4.2.3碳纳米管96

 

4.2.4石墨烯96

 

4.2.5多级孔碳97

 

4.3氮掺杂碳基CO2吸附材料99

 

4.3.1氮掺杂提高CO2吸附性能的机理99

 

4.3.2氮掺杂方法99

 

4.3.3氮掺杂活性炭100

 

4.3.4氮掺杂介孔碳101

 

4.3.5氮掺杂碳纳米管102

 

4.3.6氮掺杂石墨烯102

 

4.3.7氮掺杂多级孔碳102

 

4.4多级孔碳对CO2的吸附性能106

 

4.4.1合成与表征106

 

4.4.2结构与性能107

 

参考文献111

 

第5章多级孔碳在储氢领域的应用115

 

5.1储氢技术简介116

 

5.2碳基储氢材料117

 

5.2.1活性炭118

 

5.2.2碳纳米纤维119

 

5.2.3碳纳米管119

 

5.2.4石墨烯121

 

5.3氢溢流概述122

 

5.3.1氢溢流机理122

 

5.3.2碳材料中产生氢溢流作用的方法123

 

5.3.3通过氢溢流作用提高碳材料储氢量124

 

5.4多级孔碳在储氢领域的应用研究进展126

 

5.5镍掺杂多级孔碳块体材料在储氢中的应用127

 

5.5.1合成与表征127

 

5.5.2结构与性能128

 

参考文献132

 

第6章多级孔碳在超级电容器中的应用136

 

6.1超级电容器概述137

 

6.1.1超级电容器的结构137

 

6.1.2超级电容器的特点138

 

6.1.3超级电容器的分类140

 

6.2超级电容器用碳电极材料141

 

6.2.1活性炭141

 

6.2.2活性炭纤维142

 

6.2.3碳气凝胶142

 

6.2.4碳纳米管142

 

6.2.5介孔碳143

 

6.2.6石墨烯143

 

6.2.7碳化物衍生碳144

 

6.3多级孔碳在超级电容器领域的应用研究进展144

 

6.3.1硬模板法制备的HPC145

 

6.3.2软模板法制备的HPC147

 

6.3.3软硬模板相结合法制备的HPC148

 

6.3.4模板活化相结合法制备的HPC149

 

6.3.5高温炭化法制备的HPC151

 

6.3.6嵌段共聚物炭化法制备的HPC152

 

6.3.7炭化活化法制备的HPC153

 

6.3.8高温卤化法制备的HPC157

 

6.3.9真空干燥法制备的HPC158

 

6.4钴掺杂多级孔碳块体材料在超级电容器中的应用158

 

6.4.1合成与表征159

 

6.4.2结构与性能160

 

参考文献165

 

第7章多级孔碳在锂离子电池领域的应用169

 

7.1锂离子电池概述169

 

7.1.1锂离子电池的特点169

 

7.1.2锂离子电池的工作原理171

 

7.1.3锂离子电池的体系组成172

 

7.2锂离子电池碳负极材料174

 

7.2.1石墨类碳材料175

 

7.2.2非石墨类碳材料177

 

7.2.3碳纳米材料180

 

7.3多级孔碳在锂离子电池领域的应用研究进展185

 

7.3.1硬模板法制备的HPC185

 

7.3.2软模板法制备的HPC189

 

7.3.3双模板法制备的HPC190

 

7.3.4模板活化相结合法制备的HPC192

 

7.3.5高温炭化法制备的HPC192

 

7.3.6炭化活化法制备的HPC193

 

参考文献196

多孔碳材料具有比表面积大，孔隙发达，性能稳定，价格低廉等优点，在吸附，催化，分离，超级电容器，锂离子电池等领域具有广泛的应用前景。然而，单一孔道结构的碳材料在实际应用中存在一定的局限性。现实迫切需要发展综合各种孔道结构优点的新型多孔碳材料，即根据应用需求构建多级孔碳材料。多级孔碳材料是具有两种或两种以上孔道结构（包括微孔-介孔，微孔-大孔，介孔-大孔，微孔-介孔-大孔等）的一种新型多孔碳材料，具有可控的分级孔结构，大的比表面积，开放的多孔构造和优异的表面特性，这些特点赋予了多级孔碳材料大的接触面积，高的扩散性和高的存储能力等优点，在吸附，储氢，能源存储等领域展示了优于单一孔结构碳材料的独特优势。本书编者根据多年从事新型碳材料的科研和教学经验，特向读者推出《多级孔碳材料的合成及应用》一书，期望为从事相关研究工作的读者提供参考。本书全面，系统地阐述了多级孔碳材料的合成及应用，本书共分7章。第1章和第2章对典型的碳材料进行介绍，并重点阐述了多级孔碳材料的合成方法，包括硬模板法，软模板法，双模板法，模板活化相结合法，高温炭化法，嵌段共聚物炭化法，炭化活化相结合法，高温卤化法和真空冷冻干燥法。第3～7章分别对多级孔碳材料在染料吸附，气体吸附，储氢，超级电容器和锂离子电池等领域的应用进行论述，尤其介绍了多级孔石墨化碳块体材料对甲基橙的吸附研究，多级孔氮掺杂碳材料对CO2气体的吸附研究，镍掺杂多级孔碳块体材料的储氢性能研究，钴掺杂多级孔碳块体材料在超级电容器中的应用以及多级孔碳材料在锂离子电池领域的研究进展。特别提及的是，在初稿形成之时，承蒙重庆文理学院学术委员会专家们的垂青以及他们对本书出版的大力支持，本书有幸获得“重庆文理学院学术专著出版资助”。在此，对重庆文理学院给予的厚爱与大力支持表示衷心的感谢！同时，也感谢重庆市科委项目（cstc2016jcyjA0140），重庆文理学院重大科研培育项目，重庆高校创新团队建设计划项目（CXTDX201601037）等为本专著提供了资金保障,感谢“微纳米光电材料与器件协同创新中心”，“重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室”，“环境材料与修复技术重点实验室”，“新型储能器件及应用工程研究中心”等科研平台对本专著的大力支持！本书参考了大量相关的文献资料，对这些文献资料的作者表示衷心的感谢！由于时间和水平有限，难免有不当之处，敬请读者不吝指教！刘玉荣 2016年11月于重庆永川