编号：FTJS107680
篇名： 基于碳化钙和碳氮化钙掺杂碳材料的制备及应用
作者： 李宗颖
关键词： 碳化钙; 碳氮化钙; 掺杂碳材料; 机械化学; 吸附;
机构：北京化工大学
摘要： 掺杂碳材料在环境治理与电化学储能领域具有重要应用,然而其传统制备工艺通常需要高温反应、合成路线复杂、能耗高。机械球磨的持续剪切与压缩作用可实现固体的高效活化,显著提升反应速率,避免高温热解需求,有效解决传统制备方法存在的问题。碳化钙（CaC2）和碳氮化钙（CaCN2）均为大宗化学品,富含三键和碳氮元素,是廉价的碳负离子资源,为此,论文针对基于这两种工业原料的N-掺杂碳材料的制备及应用开展研究,对于拓展碳基功能材料的绿色新合成方法具有重要意义。 首先,利用CaC2与BCl3和三聚氯氰的机械化学反应制备了硼氮原子掺杂的碳材料（BNCMs）,系统表征了其组成和结构,研究了其对染料的吸附性能。结果表明,BNCMs为多孔纳米材料,最大比表面积可达385.3m2·g-1,对刚果红（CR）染料的有优异的吸附能力。CR在BNCM-3上的吸附为自发过程（ΔG<0）,并伴随吸热（ΔH>0）和体系无序度增加（ΔS>0）。 其次,以CaCN2与多卤化物（C3Cl3N3、C6Cl6、CCl4）为原料,通过机械化学反应制得了三种新型的氮掺杂碳材料（NCMs）,系统表征了其组成和结构,考察了其对CR的吸附性能及电化学性能。结果表明,NCMs是一种良好吸附剂,其对CR的吸附效果均优于亚甲基蓝。NCM-1对CR的吸附符合准二级动力学,吸附等温线符合Langmuir模型。298 K时,其饱和吸附量为584.2 mg·g-1。CR在NCM-1上的吸附为熵驱动（ΔS>0）的自发（ΔG<0）过程,并伴随着吸热（ΔH>0）现象。NCM-1具有良好的充放电可逆性、电流稳定性等,在电化学方面有应用潜力。 最后,探究了借助CaC2和CaCN2分别与金属氯（氧）化物的机械化学反应制备碳载金属材料及其在催化加氢方面的应用,发现在特定条件下C-Ni可将硝基苯催化加氢还原成苯胺和氧化偶氮苯。另外,借助CaCN2与Na Cl O的氧化偶联反应,可以得到C/N接近1的高N含量掺杂碳材料。 总之,本研究针对掺杂碳材料的绿色制备,以碳化钙或碳氮化钙为碳前驱体,借助其与不同氯化物（BCl3、三聚氯氰、C6Cl6、CCl4、过渡金属氯化物、Na Cl O等）的机械化学反应,成功制备出一系列原子掺杂碳材料,制备工艺绿色环保,为掺杂碳材料制备提供一种全新的思路,对于推动机械化学在反应强化及新材料制备中的应用具有积极意义。