氮掺杂椭球状介孔碳的制备和表征(2)
4.5 讨论 30
5.结论 31
1.前言
1.1 选题意义
有序介孔碳材料因具有比表面积高、孔道规则、孔径均一、良好的水热稳定性和化学惰性等优点，可广泛应用于储能材料、吸附剂和催化剂载体等领域。在大量的应用研究中，人们越来越意识到控制有序介孔炭外在形态的重要性。到目前为止，人们已经制备出了多种形态的有序介孔碳，例如粉末、薄膜、纤文、球等形态。但是大部分的介孔碳都具有较大的憎水表面和有限的单位活性位，这将限制它们的实际应用。研究表明，杂原子比如B、N、O、S、P等的掺杂可以明显提高碳材料的机械性，半导体，场发射和电子性能。如今，杂原子掺杂的介孔碳材料引起人们极大地兴趣。氮元素的掺杂可以提高碳材料的表面极性，电子传导和电子偏移，从而可以应用在CO2的捕获，双电层电容器，燃料电池和催化等领域。如何制备出具有较大比表面积，较高的氮元素含量和有序的介孔结构的氮掺杂介孔碳材料成为研究的热点。
1.2背景
1.2.1介孔材料的概念和分类
按照国际纯粹应用化学联合会(IUPAC)的规定[1]：多孔材料可根据其孔直
径的大小分为三类，如表1.1所示：
表1.1 多孔材料分类及实例
种类 孔径范围 实例
微孔材料 <2nm 沸石、类沸石、活性炭、硅钙石
介孔材料 2-50nm 气溶胶、层状粘土、MCM-41、SBA-15
大孔材料 >50nm 多孔玻璃、多孔陶瓷、气凝胶、水泥
微孔沸石分子筛广泛的应用于离子交换、吸附与分离、催化等领域，然而由于孔径的限制，它们对那些与大分子相关的应用无能为力。1992年Mobil公司的研究人员首次合成出MCM-41型中孔分子筛，标志着新型介孔材料的诞生。介孔材料同样具有规则排列的孔道而且突破了微孔分子筛孔径的限制，显示了很广阔的应用前景，因此引起了普遍关注。
介孔材料的分类角度一般按化学组成和结构的有序性来区分：
(1)按照化学组成的角度可分为硅基和非硅基两大类[2]。前者的骨架主要包括硅酸盐和硅铝酸盐等，后者主要包括过渡金属氧化物、介孔碳分子筛、磷酸盐和硫化物等为代表的非氧化物。
(2)按照介孔是否有序可分为无序介孔材料和有序介孔材料。其中有序介孔材料是20世纪90年代初迅速兴起的一类新型纳米结构材料。
1.2.2 介孔材料的特点
有序介孔材料的优越性在于它们具有均一的且在纳米尺寸上连续可调的孔径、从一文到三文的高度有序的孔道结构、较大的比表面积和孔体积、易于修饰的表面、稳定的骨架结构、可控的形貌等，可用作吸附剂、催化剂及载体，并在分离提纯、生物材料、新型组装材料、微电子和光学材料等方面有着巨大的应用潜力[3-8]；同时介孔材料独特的结构和催化性能为电子传递提供合适的环境，并防止生物分子的流失，为制备一系列高性能的传感器提供了广阔的前景。但是化学反应活性不高和稳定性较低等缺点大大限制了介孔材料的实际应用。因此，对介孔材料进行改性成为介孔材料领域研究的热点课题。
介孔材料的特性包括物理改性和化学改性：
(1)介孔材料的物理性质
一般是根据特定的目的，选择相应的某些方面性能好的材料，与介孔材料复合，例如可以将导电性高的物质与介孔材料复合，结合两者的优势，进一步提高介孔材料的灵敏度和稳定性。
(2)介孔材料的化学性质
①可以通过引入金属离子，使其周围的电荷过剩产生较强的质子酸中心或路易斯酸中心，或通过金属掺杂后产生离子交换位，将催化活性组分引入，开拓介孔材料在催化领域中的应用。