基本信息
- 项目名称：
- 蠕虫孔炭材料的孔径调控研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 蠕虫孔炭材料在能源、催化剂、吸附等领域具有广泛的应用前景。但是，目前所能制备的蠕虫孔炭材料孔径相对较小（1.6～4.0 nm），极大地限制了它的应用。本作品首次利用HF催化调控硅模板的凝胶骨架尺寸，合成出孔径高达8.5 nm的新颖蠕虫孔炭材料，将可能极大地拓展蠕虫孔炭材料的应用范围。
- 详细介绍：
- 蠕虫孔炭材料含有独特的三维蠕虫状纳米孔道结构并具有高比表面积和大孔容，在能源、催化剂、吸附等领域具有广泛的应用前景。但是，目前所能制备的蠕虫孔炭材料孔径相对较小，一般而言在1.6～4.0 nm之间，这极大地限制了它的应用（例如，需要快速传质的高功率储能器件、大分子吸附剂等）。据我们所知，氢氟酸（HF）可以有效地调节正硅酸乙酯（TEOS）的溶胶－凝胶过程，进而控制硅凝胶骨架的形貌及尺寸。基于此，本文首次报道了一种通过HF来催化调控蠕虫孔炭材料孔结构的方法。通过该法，高达8.5 nm的大孔径蠕虫孔炭材料被成功地合成出来，将极大拓宽它的应用范围。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作为一种新颖纳米炭材料，蠕虫孔炭材料含有独特的三维蠕虫状纳米孔道结构，高比表面积和大孔容，在能源、催化剂、环境等领域有广泛的应用前景。但是，蠕虫孔炭材料的孔径较小（1.6～4.0 nm），极大地限制了它的应用。因此，实现其孔径在较大尺寸范围内的调控，是决定它获得广泛应用的关键。据我们所知，氢氟酸可以有效调控正硅酸乙酯的凝胶尺寸，从而调控蠕虫孔炭材料的孔径大小，突破它的应用限制。
科学性、先进性及独特之处
- 针对目前蠕虫孔炭材料的孔径低于4 nm而导致它在很多领域无法应用的缺点（例如，需要快速传质的高功率储能器件、大分子吸附剂等），本作品首次利用HF催化调控硅模板的凝胶骨架尺寸，合成出孔径高达8.5 nm的新颖蠕虫孔炭材料，从而可能突破它的应用限制。
应用价值和现实意义
- 将蠕虫孔炭材料的孔径从4 nm拓展到8.5 nm，极大拓宽了它的应用范围。例如，很多生物大分子的尺寸在4-10 nm，目前的蠕虫孔炭材料无法对其吸附分离，而我们的大孔径蠕虫孔炭材料具有与之匹配的孔尺寸，将能有效地对其吸附分离。再如，理想的超级电容器用炭材料应具有优异的电解液传输性能，目前的蠕虫孔炭材料孔径小、缺乏传质通道，而我们的大孔径蠕虫孔炭材料具有良好的传质通道，将具备更好的电化学性能。
学术论文摘要
- 蠕虫孔炭材料含有独特的三维蠕虫状纳米孔道结构并具有高比表面积和大孔容，在能源、催化剂、吸附等领域具有广泛的应用前景。但是，目前所能制备的蠕虫孔炭材料孔径相对较小，一般而言在1.6～4.0 nm之间，这极大地限制了它的应用（例如，需要快速传质的高功率储能器件、大分子吸附剂等）。 据我们所知，氢氟酸（HF）可以有效地调节正硅酸乙酯（TEOS）的溶胶－凝胶过程，进而控制硅凝胶骨架的形貌及尺寸。基于此，本文首次报道了一种通过HF来催化调控蠕虫孔炭材料孔结构的方法。通过该法，高达8.5 nm的大孔径蠕虫孔炭材料被成功地合成出来。 透射电镜观察到：当HF与TEOS的摩尔比（HF/TEOS）从0增大到1/7，所得样品孔形貌呈蠕虫状，孔尺寸明显变大。当HF/TEOS增大到1/5，样品的孔结构由蠕虫状变为泡沫状。因此，HF/TEOS＝0-1/7被推荐。利用N2吸附法分析发现：当HF/TEOS从0增大到1/7，蠕虫孔炭材料的中孔孔径由3.1 nm增大到8.5 nm，相应地，其中孔比表面积和BET比表面分别由1265 m2/g和1372 m2/g降低到538 m2/g和659 m2/g。
获奖情况
- 1.Pore size control of wormholelike mesoporous carbons. Carbon, 2009, 47, 916-918. 2.蠕虫孔炭材料的孔径调控研究. 中国化学会第14届反应性高分子会议论文集，2008年11月，广州，160-162
鉴定结果
参考文献
- 1. D. C. Wu, Y. R. Liang, X.Q. Yang, Z. H. Li, C. Zou, X. H. Zeng, G. F. Lv, R.W. Fu. Direct fabrication of bimodal mesoporous carbon by nanocasting. Microp Mesop Mater 2008 . 2. D. Kawashima, T. Aihara, Y. Kobayashi, T. Kyotani, A. Tomita. Preparation of mesoporous carbon from organic polymer/silica nanocomposite. Chem Mater 2000; 12: 3397-401. 3. J. B. Pang, Q. Y. Hu, Z. W. Wu, J. E. Hampsey, J. B. He, Y. F. Lu. Direct synthesis of unimodal and bimodal nanoporous carbon. Microp Mesop Mater 2004; 74: 73-78. 4. B. H. Han, W. Z. Zhou, A. Sayari. Direct preparation of nanoporous carbon by nanocasting. J Am Chem Soc 2003; 125: 3444-5. 5. S. Han, M. Kim, T. Hyeon. Direct fabrication of mesoporous carbons using in-situ polymerized silica gel networks as a template. Carbon. 2003; 41:1525-32.
同类课题研究水平概述
- 纳米炭材料具有可控纳米结构、高孔隙率、高电导率和优异的环境稳定性等优点，在能源、催化剂、环境等领域有着重要的应用。纳米炭材料主要有活性炭、活性炭纤维、炭纳米管、有序中孔炭、炭气凝胶和蠕虫孔炭材料等。其中，蠕虫孔炭材料是最近几年发展起来的一类新颖中孔炭材料，它不仅具有独特的三维蠕虫状纳米孔道结构、高比表面积和大孔容，而且原料易得、价格低廉、制备工艺简单环保，是很有应用前景的纳米炭材料，已成为功能材料科学领域的研究热点之一。 然而，根据前人的研究结果，目前的蠕虫孔炭材料存在一个明显的不足之处：孔径小且不易调控，通常在1.6-4.0 nm之间。例如：Kyotani T.[1]，Sayari A.[2] , Hyeon T.[3]等分别利用正硅酸乙酯（TEOS）、正硅酸甲酯（TMOS）和NaSiO3为硅源合成了孔径分别为4.0 nm、1.6 nm和3.0 nm的蠕虫孔炭材料。显然，这样的孔结构缺陷极大地限制了蠕虫孔炭材料在很多领域的应用。例如，很多生物大分子的尺寸在4-10 nm，目前的蠕虫孔炭材料无法对其有效地吸附分离。又如，理想的超级电容器用纳米炭材料应该具有优异的电解液传输性能（这需要具有4 nm以上的孔洞作为传质通道），而目前的蠕虫孔炭材料孔径偏小、缺乏传输通道。 因此，合成出较大中孔孔径的蠕虫炭材料，是决定蠕虫孔炭材料能否在上述应用领域取得突破的关键所在，具有重要的学术意义和应用价值。本论文首次利用HF催化调控硅模板的凝胶骨架尺寸，合成出孔径高达8.5 nm的新颖蠕虫孔炭材料，这将极大地拓展蠕虫孔炭材料的应用范围。 参考文献 [1] Kawashima D, Aihara T, Kobayashi Y, Kyotani T, Tomita A. Chem Mater 2000; 12: 3397-401. [2] Han BH, Zhou WZ, Sayari A. J Am Chem Soc 2003; 125: 3444-5. [3] Han S, Kim M, Hyeon T. Carbon. 2003; 41:1525-32.
