Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время пористые углеродные материалы (ПУМ) используются в качестве гемосорбентов, носителей катализаторов, материалов для электродов энергонакопительных устройств, композиционных материалов, адсорбентов для хроматографии, хранения газов и т.д. В частности, активно разрабатывается новое поколение ПУМ в связи с интенсивным поиском «подложек» для энергонакопления (аккумулирования электрической энергии) и материалов (адсорбентов) для хранения газов. Усилия многих ученых направлены на выявление общих закономерностей формирования структурных и текстурных параметров ПУМ, влияющих на сорбционные и электрохимические свойства. В большинстве работ в качестве прекурсоров (исходных веществ) используются природные вещества (древесина, каменные и бурые угли, косточки плодов, скорлупа орехов и т. п.). С одной стороны это позволяет перерабатывать технологические отходы производств в ценную химическую продукцию, тем самым позитивно влиять на окружающую среду. С другой - сложный состав и структура данных исходных веществ затрудняют понимание процесса формирования текстуры ПУМ и не позволяют установить взаимосвязь между условиями проведения синтеза и структурой углеродных материалов, которая определяет их сорбционные и электрохимические свойства. В связи с этим актуальной задачей является получение ПУМ из индивидуальных ароматических соединений с известным составом и структурой, решение которой позволит в дальнейшем выяснить механизм образования текстуры ПУМ и синтезировать углеродные материалы с заданными свойствами, не уступающими подобным материалам из природных веществ.
Данная работа является начальным этапом на пути к решению проблемы, обозначенной выше, и посвящена разработке методов синтеза ПУМ из индивидуальных кислород- и азотсодержащих ароматических соединений, исследованию возможности регулирования текстурных характеристик полученных материалов, изучению их сорбционных и электрохимических свойств, а также сопоставлению свойств синтезированных ПУМ со свойствами материалов, получаемых из природных веществ.
Работа выполнена в соответствии с базовым проектом НИР ИУХМ СО РАН V.38.1.4. «Обоснование выбора угольного сырья и методов его модифицирования с целью создания научных основ малотоннажных технологий переработки твердых горючих ископаемых в ценную химическую и топливную продукцию» при частичной финансовой поддержке интеграционного проекта РАН № 58 «Научные основы получения и использования новых углеродных наноматериалов для хранения химической и электрической энергии» и интеграционного проекта РАН № 24.58 «Научные основы получения и использования наноструктурированных материалов для молекулярной электроники, генерации, хранения, преобразования и транспортировки тепловой, химической, электрической и световой энергии».
Цель работы. Разработка методов синтеза ПУМ как с развитой микропористостью так и мезопористостью из индивидуальных кислород- и азотсодержащих ароматических соединений и исследование их физико- химических свойств.
Исходя из поставленной цели, решались следующие задачи:
Синтез ПУМ с развитой микро-/мезопористостью из индивидуальных ароматических соединений, содержащих гетероатомы (кислород, азот);
Исследование текстурных и структурных характеристик синтезированных ПУМ методами низкотемпературной адсорбции азота (БЭТ), КР - спектроскопии, РФА, ПЭМ, СЭМ;
Исследование проводимости и электрической емкости синтезированных образцов ПУМ;
Исследование возможности применения ПУМ с развитой микро- /мезопористостью в качестве электродов суперконденсаторов;
Оценка возможности применения ПУМ с развитой микро- /мезопористостью для хранения метана и водорода при комнатной температуре и умеренных давлениях (~60 атм.).
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
Показана возможность получения ПУМ с развитой мезопористостью, имеющих удельную поверхность и общий объем пор по БЭТ до 2900 м 2/г и 3,7 см3 соответственно, из смесей индивидуальных ароматических соединений (фенол + фурфурол или гидрохинон + фурфурол).
Показана возможность регулирования текстурных характеристик ПУМ с развитой мезопористостью путем изменения условий синтеза (выбор смеси прекурсоров и их соотношение).
Показано, что увеличение объема микропор ПУМ сопровождается уменьшением доли неупорядоченного Бр2-углерода.
Установлено, что при переходе одномерной прыжковой проводимости в трехмерную (по Мотту) электрическая емкость ПУМ с развитой микропористостью уменьшается;
Рассчитана эффективная удельная поверхность, участвующая в образовании двойного электрического слоя (ДЭС), для ПУМ с развитой мезопористостью.
Практическая значимость работы:
Синтезированные ПУМ с развитой мезопористостью, имеющие удельную емкость ДЭС ~ 456 Ф/г (на массу одного электрода) в среде 6М KOH, могут быть применены в качестве материалов для электродов суперконденсаторов.
Полученные ПУМ с развитой микропористостью могут быть использованы в качестве адсорбентов для хранения и транспортировки метана при 60 атм. и 300 К. (среднее значение удельной адсорбции СН4, при 60 атм. и 300 К: ~150 мг/см3).
На защиту выносятся:
Методы синтеза ПУМ с развитой мезопористостью из смесей индивидуальных ароматических соединений (фенол + фурфурол или гидрохинон + фурфурол);
Установление взаимосвязи между текстурными характеристиками и условиями синтеза (выбор смеси прекурсоров и их соотношение) ПУМ с развитой мезопористостью;
Взаимосвязь между долей неупорядоченного sp2-углерода и объемом микропор ПУМ;
Установление закономерности соотношения расчетной эффективной удельной поверхности, участвующей в образовании ДЭС, с результатами по БЭТ для ПУМ с развитой мезопористостью.
Личный вклад автора. Все основные результаты, приведенные в диссертации, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автор принимал активное участие в постановке задач, решаемых в диссертационной работе, участвовал в постановке и проведении экспериментов, самостоятельно синтезировал ПУМ с развитой микро- /мезопористостью, также принимал участие в интерпретации полученных результатов, написании и подготовке научных статей и тезисов конференций.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 2 статьях в рецензируемых журналах и 12 трудах и тезисах докладов конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы (240 источников). Работа изложена на 116 страницах, содержит 39 рисунков, 15 таблиц.
