摘要
随着全球变暖、地球化石能源不断被消耗等环境问题日渐增多，人们对大气中温室气体（如二氧化碳）的吸附问题以及对新能源领域的能源存储与转化问题越来越关注。多孔碳材料作为一种以碳原子作为主要组成骨架的多孔材料，由于其具有高孔隙率、高导电性、高热稳定性和化学稳定性等优点，被广泛应用于气体吸附和能源等领域。人们对多孔碳材料的研究主要集中在设计并制备独特的多孔碳材料结构、特定的杂原子与多孔碳材料进行掺杂以及合金或氧化物与多孔碳材料进行复合等，从而制备得到适用于不同应用领域的多孔碳材料或多孔碳基材料。制备碳材料的方法多种多样，人们常根据不同的需要以及优缺点进行选择。制备得到的碳材料，则可应用于气体吸附、能源存储与转化等领域。 本论文是以多孔碳材料的制备及其在气体吸附和能源领域的应用作为研究内容，通过水热碳化法、高温热解法、高温活化法等制备了一系列多孔碳材料及其复合材料，所制备得到的材料可以应用于二氧化碳吸附、超级电容器、锂离子电池、钠离子电池以及燃料电池阴极氧还原反应等领域。 (1)通过由吡咯和嵌段共聚物组成的均相分散体的简单水热和冷冻干燥方法合成具有三维结构的新型聚吡咯基气凝胶。其中，嵌段共聚物起分散剂的作用，这可归因于吡咯基单元和嵌段共聚物之间的亲疏水相互作用。与聚吡咯粉末相比，聚吡咯基气凝胶具有更高的孔隙率，为后续的活化过程提供了有利条件。在使用二氧化碳作为活化剂对聚吡咯基气凝胶进行物理活化处理之后，制备得到具有高孔隙率的氮掺杂多孔碳。所制备得到的氮掺杂多孔碳(NPC-950-100)具有高的Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积(2330m2g-1)，大的孔容(2.54cm3g-1)和氮掺杂（4.1wt％）。这些性质使得NPC-950-100在273K和1.0bar下具有高达20.5wt％的二氧化碳吸附能力。此外，氮掺杂多孔碳(NPC-950-60)作为超级电容器电极，还具有良好的比电容(在0.1Ag-1时为156Fg-1)和出色的长循环稳定性(10000次循环后在5Ag-1时约100％的电容保持率)。 (2)通过简单且低成本的方法制备了梧桐果状的MnO/氮掺杂多孔碳复合材料(MNPC)，其中MnO纳米颗粒与聚毗咯水凝胶衍生的氮掺杂多孔碳相结合。当用作电极时，多孔氮掺杂碳材料充当可以提供高存储容量的MnO纳米颗粒的有效载体。因此，MNPC在锂离子电池中显示出良好的循环稳定性和较强的倍率性能，并且该复合物表现出比单独的氮掺杂多孔碳和MnO颗粒更好的电化学性能。然而，在钠离子电池中，MNPC表现出与氮掺杂多孔碳类似的电化学行为，表明MnO纳米颗粒对于钠储存的活性低得多。这可能是因为MnO中钠储存的热力学驱动力和氧化还原电位远低于锂。因此，这一部分研究有助于从热力学方面揭示MnO材料的储锂和储钠性质。 (3)使用简单的水热法和热处理法相结合的方法制备了氮磷共掺杂多孔碳材料载体，之后又使用原位生长的方法在氮磷共掺杂多孔碳材料内部负载了大量的SnO2纳米颗粒，制备得到纳米级SnO2/氮磷双掺杂多孔碳复合材料(SnO2/NPPC)。由于使用原位生长法进行制备，所以制得的SnO2/NPPC复合物中SnO2纳米颗粒的尺寸很小(一般小于5nm)而且大小均一，同时SnO2纳米颗粒与氮磷共掺杂的碳载体之间有非常强的相互作用，使得SnO2纳米颗粒在电极反应过程中不易聚集和脱落。同时，氮磷共掺杂多孔碳材料也为SnO2纳米颗粒提供了很好的支撑和导电碳骨架。因此，作为锂离子电池的负极材料，SnO2/NPPC-2具有较好的倍率性能和循环稳定性(500mA g-1下循环800圈后比容量为970mAh g-1)。而作为钠离子电池的负极材料，SnO2/NPPC也具有较好的倍率和循环性能。因此，SnO2/NPPC可以作为锂离子电池和钠离子电池有潜力的负极材料。 (4)通过新型氮、磷掺杂气凝胶的二氧化碳活化制备具有高表面积的氮、磷双掺杂多孔碳(NPPC)。归因于氮、磷掺杂气凝胶的二氧化碳活化，NPPC具有高BET比表面积(2850m2g-1)和氮、磷双掺杂。二氧化碳活化作为一种无腐蚀、环保的方法，不仅可以在NPPC中制备出大量的微孔和介孔，还可以促进氮类型从吡咯型氮转化为吡啶型氮和石墨型氮，从而促进氧还原反应催化活性。因此，与碳化的氮、磷掺杂气凝胶相比，NPPC表现出更高的氧还原反应催化活性，包括更高的转移电子数(在0.2V vs.RHE时为3.95)等。此外，与商业中20wt％Pt/C相比，NPPC具有更好的长循环稳定性。因此，NPPC有希望成为氧还原反应较有潜力的无金属催化剂。
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