基本信息
- 项目名称：
- 铜掺杂炭气凝胶的制备及其在燃油脱硫中的应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 炭气凝胶(carbon aerogel)是一种轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。它是一种新型的气凝胶，孔隙率高达80～98%，典型的孔隙尺寸小于50nm，网络胶体颗粒直径3~20nm， 比表面积高达600~1100m2/g。在很多方面具有广泛应用。
- 详细介绍：
- 炭气凝胶的制备一般可分为三个步骤：即形成有机凝胶、超临界干燥和炭化。其中有机凝胶的形成可得到具有三维空间网络状的结构凝胶；超临界干燥可以维持凝胶的织构而把孔隙内的溶剂脱除；炭化使得凝胶织构强化，增加了机械性能，并保持有机凝胶织构。我们实验采用的是常压干燥，碳化后先进行了炭气凝胶表征实验，进行了氮气吸附实验和SEM观察，得到了所得样品的表征，在将样品放入含硫量为500 ppm的正辛烷模拟汽油中进行脱硫实验，并用液相色谱分析脱硫量，得到样品的脱硫效果分析了脱硫效果。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过间苯二酚与甲醛在含有铜离子的水溶液中缩聚反应，经过简单的常压干燥方法以及氮气氛下的高温炭化制备含铜的炭气凝胶，利用所得炭气凝胶进行了燃油脱硫的实践，在现有实验条件下建立了模拟汽油脱硫效果的精确分析方法。开发新型的硫的吸附材料
科学性、先进性及独特之处
- 利用简单的有机化合物合成具有广泛用途的炭气凝胶，并将其用于脱硫的研究，在其他文献中还很少涉及，同时制备过程采用常压干燥也是很好的尝试。所得炭气凝胶也是一种环保材料。
应用价值和现实意义
- 随着燃油标准的不断提高，采用常规的脱硫方法很难达到理想效果。因此，开发新的脱硫方法和脱硫试剂是非常紧迫的研究课题。然而，目前为止利用炭气凝胶作为燃油吸附脱硫剂的研究非常有限，炭气凝胶作为燃油脱硫高效吸附剂的潜在价值没有得到应有重视。本研究将铜掺杂炭气凝胶应用于燃油脱硫领域，对降低环境污染，拓展炭气凝胶的应有领域具有一定的意义。
学术论文摘要
- 通过间苯二酚与甲醛在含有铜离子的水溶液中缩聚反应，经过简单的常压干燥方法以及氮气氛下的高温炭化制备了铜掺杂的炭气凝胶。采用N2吸附、扫描电镜表征了典型样品的比表面积、孔径和表面形貌。结果发现， 所得样品具有较大的比表面积,最大的达到了574 m2/g， 最小的也有461 m2/g；所有样品的孔径都在2 nm左右。研究了所得多孔材料在燃油脱硫方面的应用， 发现这些材料对模拟汽油具有较好的脱硫效果， 最大的脱硫效率达到了85.6%。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 张丽, 李春虎, 侯影飞. 吸附法车用燃油脱硫技术进展. 2007, 8, 51-55. [2] 张景成, 柳云骐, 安高军. 吸附脱硫生产清洁油品. 化学进展, 2008, 20, 1834-1844. [3] 刘宁, 李明远, 符若文. 炭气凝胶微球的凝胶化机理. 新型碳材料, 2009, 24, 67-72. [4] 陈永. 多孔材料制备与表征. 安徽, 中国科学科技大学出版社, 2010. [5] 李文翠，郭树才. 混甲酚甲醛炭气凝胶的制备及表征. 燃烧化学学报, 2000, 28, 33-35.
同类课题研究水平概述
- 炭气凝胶是气凝胶家族中近20年来出现的新成员。炭气凝胶是经溶胶一凝胶过程、超临界干燥过程和高温炭化过程得到的一种非晶、固态、轻质、多孔的新型纳米炭材料，其孔隙率高达80-99.8%，典型孔隙尺寸小于50 nm，网络胶体颗粒尺寸3-20 nm，比表面积600-2000 m2/g。 金属掺杂是炭气凝胶改性的另一类重要方法。掺杂金属离子不但可以改变炭气凝胶的表面形态和微观结构，而且给材料赋予了催化活性，电磁性等性能。此外，许多过渡金属掺杂剂也能改变炭气凝胶及其有机气凝胶前驱体结构，而且将其与气体活化协同使用，可以更方便的改变炭气凝胶的结构。与此同时，随着金属组分的掺杂，炭气凝胶的传导性能如导电性及磁导率也将发生明显的变化，因而在应用方面有很好的价值。而金属的掺杂方法有很多种，有浸渍法，离子交换法，沉积法以及金属盐溶于凝胶前躯体中的方法。 由于炭气凝胶的结构和性能特性，炭气凝胶可用于制造超级电容器的电极，还可用于催化剂及催化剂载体、气体过滤材料、药物载体、红外线吸收材料和声阻抗祸合材料等领域，有良好的应用前景。目前美国、德国、日本、法国等国家对炭气凝胶的研究开发工作极为关注。炭气凝胶由于良好的电化学性能、高的比表面积和可控的孔径分布，是一种理想的电极材料。通过外部电源使电极产生极化，从而将溶液中的异性离子吸引到电极上，用这种方法可以去除水中的阴阳离子、重金属离子、辐射性同位素及一些有机废弃物。另外美国劳仑兹利物莫尔国家实验室正积极开展炭气凝胶作高能量密度、高功率密度的双电层电容的研究，初步实验表明炭气凝胶的充电容量达3×104 F·kg-1，经4000次充放电实验说明循环性能良好。炭气凝胶稳定的热化学性能及低原子序数，可望成为新一代激光惯性约束聚变靶极低密度的氖吸附材料，从而节约驱能，提高聚变产额。比表面积是影响炭气凝胶电极性能的重要因素。由于双电层在电极固液界面产生，理论上比表面积越大，比电容越大。但是，许多研究表明比电容与比表面积没有明显的线性关系。在考虑比表面积的影响时，还要考虑孔径的大小及分布。一般认为，只有直径大于0.5 nm的微孔才能有效地让水溶液中的离子进入，从而形成双电层。由于炭气凝胶的结构和性能特性，炭气凝胶可用于制造超级电容器电极。
