微-納米結(jié)構(gòu)N摻雜聚合物及相關(guān)碳材料：控制合成、功能化、應(yīng)用.pdf

1、酚醛樹脂是酚類與醛類通過縮聚反應(yīng)得到的產(chǎn)物的統(tǒng)稱，其發(fā)展歷史已有近百年，是世界上最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的合成樹脂。在現(xiàn)代社會，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的科研工作者致力于制備納米尺寸的酚醛樹脂及其復(fù)合結(jié)構(gòu)。高分子納米材料指的是至少有一維尺度達(dá)到納米級尺寸或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。因?yàn)榧{米材料的尺度處于原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，因而擁有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因此高分子納米材料應(yīng)用前景廣闊。另外，酚醛

2、樹脂具有高殘?zhí)柯?、組分單一、廉價易得、易于活化、孔道豐富、炭化活化后所得到的活性炭微球具有較高的導(dǎo)電性等優(yōu)勢，因此它也多用作制備一系列納米多孔碳材料的前驅(qū)體。
　　近幾年來，將雜原子摻雜進(jìn)高聚物及其碳材料的骨架中不僅可以引入新的官能團(tuán)，而且能夠增加材料的活性位點(diǎn)，提高反應(yīng)活性。成為催化領(lǐng)域、能量儲存與轉(zhuǎn)化、生物應(yīng)用等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在各種雜原子中，應(yīng)用最廣泛的是氮原子。為此，本論文旨在設(shè)計、制備微/納米結(jié)構(gòu)的N摻雜聚合物及其相關(guān)碳

3、材料，實(shí)現(xiàn)碳材料的功能化、催化和電化學(xué)應(yīng)用，增大其應(yīng)用范圍。所取得的主要研究工作如下：
　?。?）單分散金納米粒子-摻雜高分子微球的綠色合成、高效催化及計算模擬研究。首先利用一步法合成了氮摻雜高分子微球-三聚氰胺酚醛樹脂微球（RMF NSs）。由于微球表面含有大量的氨基，因此可以采用原位生長法將金納米粒子（Au NPs）（3-5 nm）生長在RMF NSs的表面，結(jié)果表明Au@RMF NSs復(fù)合材料催化性能優(yōu)異，在催化對硝基苯酚轉(zhuǎn)

4、化為對氨基苯酚的反應(yīng)中，反應(yīng)平衡常數(shù)為33×10-3 s-1，性能優(yōu)于目前報道的大部分基于金納米粒子的催化劑。因此，我們利用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行模擬計算，研究其催化機(jī)制。結(jié)果表明基底中含有的含氮官能團(tuán)能夠優(yōu)先吸附對硝基苯酚離子，增加催化劑周圍的對硝基苯酚離子的濃度，進(jìn)而提高催化性能。這項工作為新型催化劑的開發(fā)提供了理論依據(jù)。
　　（2）N摻雜3D多孔-納米層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（HPSCSs）及超級電容器應(yīng)用。首先，我們利用KOH活化R

5、MF NSs的方法制備了該復(fù)合材料。在HPSCSs中，同時存在納米片層、多級孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)可以提供豐富的孔道，提高電解質(zhì)離子傳輸速率，納米片層可以提高導(dǎo)電性，氮原子摻雜可以改善材料潤濕性，降低電解液離子在孔隙中的擴(kuò)散阻力，因此該復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效提高超級電容器的性能。結(jié)果表明，在掃描速率為1 mV s-1時，HPSCSs的比電容量為407.9 F g-1，分別是多孔碳球（PCSs）和沒有活化的碳球(CSs)的比電容量的1.2和4.0倍。同

6、時，該電極材料的大電流性能優(yōu)異，例如，當(dāng)掃描速率為100 mV s-1時，和1 mV s-1時的相比，比電容量能夠保持在71.1％。同時，該材料的循環(huán)性能也很優(yōu)異，在電流密度為10A g-1時，循環(huán)6000圈之后，電容量能夠保持在99.0%。這項工作為開發(fā)新型電極材料提供了新的思路。
　　（3）我們利用（2）中制備的氮摻雜材料作為 CO2吸附劑。因?yàn)槠湫〉目壮叽绾瓦m量的氮元素?fù)诫s，該材料可以應(yīng)用在CO2的吸附上，吸附量高達(dá)5.8

7、mmol g-1。另外該材料在生物傳感應(yīng)用展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。在檢測同時含有抗壞血酸、尿酸、多巴胺的模擬生物體環(huán)境中，利用示差脈沖伏安法（DPV）同時檢測三種底物時，我們可以觀察到三個分開的峰，對應(yīng)的峰間距為297 mV(AA-DA)，147 mV(DA-UA)和444 mV(AA-UA)。當(dāng)S/N=3時，AA，DA和UA的檢測限分別為7.1475μM,0.166535μM和0.031729μM，性能優(yōu)于目前已報道的大部分碳材料。這項工作