高含量硼修饰有序介孔碳材料形成机理研究

As a kind of new carbon materials, boron-doped ordered mesoporous carbon (B-OMC) has potential applications ranging from chemical sensor，supercapacitor to hydrogen storage. The project focuses on the formation mechanism of B-OMC with rich and uniform boron distributed, stable structure, high specific surface area and narrow distributed pore size, by using boron modified phenolic resins (BPF) as sole precursor, and amphiphilic surfactant as a soft template. The design of the molecular structure and synthesis routs of the BPF, which is suitable for self-assembly method, is to be established. The formation mechanism of rich boron-doped OMC will be revealed by investigating the relationship between BPF and surfactant during the self-assembly, and the effect of boron on the curing reaction, thermal decomposition and carbonating process of BPF. The innovation of the project lies in providing a new, low cost and simple strategy for preparing B-OMC, which not only has high boron-doped content(>3%), but also high specific surface area and narrow distributed pore size. Therefore, an important design method and theoretical basis are to be established with significant application value to this category of materials.

硼修饰有序介孔碳是一种性能优异的新型碳材料，在传感器、超级电容器和储氢材料等领域都具有巨大的应用潜力。本项目针对高含量硼修饰有序介观碳材料研究的热点与难点，提出以硼结构改性酚醛树脂为唯一前驱体，探索有机-有机自组装法制备硼掺杂量>3%，结构稳定，并且比表面积较大、孔径分布较窄的新型有序介孔碳材料的制备方法。通过硼改性酚醛前躯体分子设计，研究高硼掺杂下，模板剂和前驱体界面之间以及前驱体分子之间自组装过程中的作用关系，探索硼对树脂固化、热解以及成碳过程的影响。最终揭示高含量硼修饰有序介孔碳的形成机制。本项目的创新之处在于突破了现有制备方法硼掺杂量低，比表面积较小的局限性，提出仅以硼改性酚醛树脂为唯一前驱体，通过形成机理的研究，实现对改性碳材料介观结构和宏观形貌的有效控制，该法还具有成本低，工艺简单，碳热稳定性好等优点。本研究为丰富和提高此类材料的应用性能提供了设计方法和理论依据。

硼掺杂有序介孔碳是一种性能优异的新型碳材料，在吸附、分离、传感器、电极和储氢材料等领域都具有巨大的应用潜力。本项目针对介孔碳结构有序性和比表面积等性能参数，随硼引入量增大而下降的热点与难点问题，采用硼改性酚醛树脂（BPF）作为硼碳前驱体，通过溶剂挥发诱导自组装（EISA）法制备硼掺杂有序介孔碳（B-OMC）材料。重点研究了前驱体BPFs的合成工艺，自组装过程、以及固化、焙烧等因素对B-OMCs的介观结构及硼掺杂量的影响。并对B-OMCs材料的电化学性能进行了初步探索。研究表明：以氢氧化钠为催化剂、甲醛/苯酚摩尔比为1.5/1、反应温度为75℃、反应1 hr时，所得的硼改性酚醛树脂最适宜自组装。进一步比较了模板剂、溶剂类型、酸度等因素对胶束形成及微相分离过程的影响，探索酸协同下的自组装机理。以乙醇为溶剂，resin/F127、resin/P123、resin/(P123:F127)的质量比分别为1.0/1、1.5/1、1/(1:9)，体系 pH=4时，所制备的B-OMCs同时具有高硼含量（2.5～3.4 at%），较好的结构有序性和较大的比表面积（655～701 m2/g）。