亚微米碳球微孔结构的无模板构筑、调控与储氢

The research content of this project is to construct and adjust micropore structure of submicron carbon spheres by template-free method, study hydrogen storage properties of carbon spheres, and explore and solve basic scientific problems. Firstly, the formation mechanism of supermicropore structure in submicron carbon spheres by hypercrosslinking and carbonization of core@shell poly(styrene-co-divinylbenzene) (PS-DVB) microspheres is established. Secondly, the porosity and the space between polymer chains of hypercrosslinked polystyrene (HCPS) microspheres as carbon sources are increased by hypercrosslinking of hollow PS-DVB capsules instead of core@shell PS-DVB microsphere, and then sencondary crosslinking changed crosslinking structure of HCPS microspheres, which makes for construction of multilevel micropore structures, optimization of micropore size, and increase of micropore volume and special surface area(SSA). The influence of ratio of cavum to volume of PS-DVB capsules on textural parameters of micropore in carbon spheres are synchronously investigated, establishing a new method to adjust and control microporous textural parameters of carbon spheres. Finally, hydrogen storage properties of carbon spheres are studied in order to establish relationships between hydrogen storage capacity and microporous textural parameters of carbon spheres and provide theoretical and experimental bases for hydrogen storage of microporous carbon spheres at room temperature. The research system of this project is innovative, and microporous carbon spheres, which possess good micropore size controllability and high porosity, SSA, pore volume and hydrogen storage capacity, is a new member of porous carbon family for hydrogen storage, and will certainly have broad research and application prospects in the future.

本项目的研究内容是通过无模板法构筑、调控亚微米碳球的微孔结构，研究碳球的储氢性能，探索和解决其中的基本科学问题。首先，通过核壳型聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物（PS-DVB）微球的超交联、碳化建立亚微米碳球的超微孔形成机制；其次，通过空心PS-DVB胶囊的超交联、二次交联提高碳源超交联聚苯乙烯（HCPS）微球聚合物链间距和孔隙率，改变HCPS微球交联结构，进而构筑碳球多级微孔结构，优化微孔尺寸，提高微孔容积和特殊表面积（SSA）；同时，探讨PS-DVB胶囊的空腔体积比对碳球微孔结构参数的影响规律，建立一种调控碳球微孔结构参数的新方法；最后，研究碳球的储氢性能，建立储氢量与碳球微孔结构参数的关系，为微孔碳球的室温储氢研究提供理论和实验依据。本项目的研究体系新颖，微孔碳球是多孔碳储氢材料家族的新成员，具有很好的微孔尺寸可控性，高的孔隙率、SSA、孔容积与储氢量，必将具有广阔的研究与应用前景。

微孔碳具有高的特殊表面积（SSA）、大微孔容积、孔径可调等特点，有希望成为好的物理储氢材料。微孔尺寸是影响微孔碳的氢吸附热与储氢量的重要因素，优化尺寸分布在0.65-0.9 nm。发展有效的实验方法构筑微孔结构、调控尺寸、增大微孔容积和SSA，是提高微孔碳储氢量的关键。在本项目中，申请者发展了一种无模板构筑碳球微孔结构，以埃尺度调控微孔尺寸，优化孔结构参数的新方法，改善了储氢性能。. 1）用实心苯乙烯-二乙烯基苯共聚物（PS-DVB）微球（SPSs）作为原料，通过超交联、碳化成功制备了单分散碳微球。发展了一种通过无模板方法在碳球内部构筑微孔的新途径。原料换为空心PS-DVB胶囊（HPCs）后，碳球的微孔尺寸实现了以埃尺度增加。每SSA的储氢量较其他微孔碳材料高；储氢主要受微孔控制，支持了氢吸附的优化尺寸在0.65-0.9 nm理论预测。. 2）以SPSs为原料，通过改变DVB用量、交联剂发展了一种制备离散单分散碳球的方法，实现了碳球微孔尺寸的调控。当DVB用量较高、C2H4Cl2为交联剂时，碳球具有好的离散性和单分散性、高的SSA、微孔容积和储氢量；经CCl4、C2H4Cl2经两次交联得到的碳球具有高度离散性，比单次交联碳球具有更高SSA、微孔容积，在1atm、77 K吸氢量达1.80 wt%。通过提高前躯体交联密度和孔隙率改善碳球形貌、孔尺寸和储氢量，为碳材料储氢提供了重要的实验和理论依据。. 3）以HPCs为原料，经交联、磺化、碳化发展了一种构筑碳球多级微孔结构的新方法。磺酸基形成的二次交联桥分割大孔为小孔，优化了孔结构参数。SSA与总孔容随DVB用量增加而增大。当DVB用量为40 wt%时，碳球SSA达1149 m2/g，孔体积达到1.26 m3/g，在1.13 bar、77 K储氢量达5.92 wt%，接近报道的多孔碳在相同条件最大储氢量的2倍。. 4）以HPCs为原料，通过“二次交联-热解”发展了一种制备多级孔高度离散空心碳球的无模板方法。空心碳球在5 mV/s的Cs高达192 F/g，接近实心碳球3倍。通过构筑纳米反应器，发展了一种制备离散多级孔碳半球的方法。碳半球SSA高达676 m2/g，孔容达2.63 cm3/g。碳半球在10 mV/s下具高的Cs（83 F/g）。为获得理想碳半球和空心碳球提供了有效途径。