论文总字数：21221字

摘 要

工业革命以来，随着经济社会发展，全球变暖日趋严重，导致严重的气候和生态问题。CO₂是导致全球变暖的最主要温室气体，减少CO₂排放是抑制全球变暖的有效措施。高性能氨基杂化固体吸附剂研发是低成本大规模CO₂捕集的关键。气凝胶作为一种纳米多孔材料具有低密度、高孔隙率、高比表面积、大孔体积等特性，是一种理想的高性能吸附剂。氨基杂化氧化硅气凝胶表现出优异的CO₂吸附性能，但其在潮湿环境中结构稳定性差。因此本论文的目的是开发出一种在潮湿环境中结构稳定的疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶。首先采用甲基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯、无水乙醇、3-氨丙基三乙氧基硅烷，去离子水为原料，通过溶胶-凝胶工艺合成疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶，其次对疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶的吸附性能进行系统研究。疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶在9.97%的CO₂吸附量高达11.11 mmol/g。

关键词：氧化硅气凝胶 CO₂吸附 疏水 氨基杂化

Preparation of hydrophobic amine hybrid silica aerogels

Abstract

Since the Industrial Revolution, with the economic and social development, global warming has become increasingly serious, leading to serious climate and ecological problems. CO₂ is the most important greenhouse gas causing global warming. Reducing CO₂ emissions is an effective measure to curb global warming. The development of high performance amino modified solid adsorbents is the key to low cost large-scale CO₂ capture. As a nanoporous material, aerogel has low density, high porosity, high specific surface area and large pore volume. It is an ideal high-performance adsorbent. The amino hybrid silica aerogels exhibit excellent CO₂ adsorption properties, but their structural stability is poor in moist environments. Therefore, the aim of this paper is to develop a hydrophobic amino hybrid silica aerogel with stable structure in a humid environment. Firstly, methyl amino triethoxysilane, four ethyl orthosilicate, anhydrous ethanol, 3- propyl triethoxysilane, deionized water as raw material, and hydrophobic amino hybrid silica aerogels were synthesized by sol-gel process. Secondly, the adsorption properties of hydrophobic amino hybrid silica aerogels were systematically studied. Hydrophobic amino hybrid silica aerogel has a CO₂ adsorption capacity of 9.97% mmol/g at 11.11.

Keywords: Silica aerogels; CO₂ Adsorption; Hydrophobicity; Amino group

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氨基功能化SiO₂气凝胶研究现状 2

1.2.1 I类吸附剂 3

1.2.2 II类吸附剂 4

1.2.3 III类吸附剂 4

1.3 本论文研究内容 5

第二章 实验方法 7

2.1 实验原料及仪器 7

2.2 实验步骤 7

2.2.1 疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶的合成 7

2.2.2凝胶老化和溶剂置换 9

2.2.3 凝胶干燥 9

2.3 样品测试和表征方法 10

2.3.1 CO₂吸附测试 10

2.3.2 测试表征方法 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 疏水型氨基杂化氧化硅气凝胶的制备工艺研究 13

3.3 热重（TG）分析 14

3.2 红外光谱（FT-IR）分析 15

3.4 疏水性分析 16

3.5 吸附性能 17

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 21

致谢 25

第一章 绪论

引言

工业革命以来，世界经济迅速发展，，工业气体排放过度，如图1-1大气中CO₂浓度逐年增加，温室效应越加严重，并引起全球范围内的自然灾害和极端天气频发，如美国局部-50 °C极寒天气、加州大火和北京长期无降水等，已经威胁到人类的生存^[1-3]。因此减少CO₂排放是控制全球变暖的有效措施。

图1-1 1958年至2018年大气中CO₂浓度逐年变化趋势

Figure 1-1 Atmospheric CO₂ concentration from 1958 to 2018

CO₂捕集就是将人类工业生产或者人类生活所排放出去的二氧化碳捕捉集中起来，利用各种其他办法阻止其直接进入大气层中的一种手段。CO₂捕集技术有溶液吸收法、低温分离法、膜分离法、化学链法和固体吸附剂法^[4]。目前工业中主要使用溶液法，但是溶液法本身存在能耗高，且液体吸附剂有腐蚀性和易挥发、存在二次污染等问题^[5]。这种方法采用的吸收剂在解吸时易降解挥发，导致除去溶解在再生溶液中的那部分很难，这样就降低了CO₂的吸收能力和循环效率。其次，在捕集过程中吸收剂会存在氧化损耗，要及时进行补充或更换步骤，因为这种方法一般采用的溶液一般都具有较强的碱性，氨逃逸量偏高等问题会带来严重的二次污染。为了避免传统溶剂法的缺点，研究人员展开了对固体吸附剂的研究。沸石、活性炭和金属有机骨架（MOF）可作为CO₂物理吸附的材料，就能够克服上述溶液法的缺点，但在混合气体中CO₂吸附选择性差，且水蒸气会对其吸附量有消极影响^[6-8]。氨基杂化是解决多孔吸附剂选择性差的有效措施，而且水蒸气的存在可大大提高氨基功能化吸附剂的CO₂吸附量，因而研究人员以MOF、介孔二氧化硅、介孔炭、多孔聚合物和气凝胶等材料为载体开展了大量氨基功能化固体吸附剂的研究^[9-11]。

在众多载体中，氧化硅气凝胶具有纳米颗粒构成的三维纳米多孔网络结构，赋予其高比表面积、相互连通的介孔和大孔结构、大孔隙率和纳米孔体积等结构特性，有利于增强气-固相互作用、气体扩散和表面氨基负载量，且其组成和表面化学结构可调、已经实现大规模工业化生产，是一种理想的吸附剂材料，表现出优异的CO₂吸附性能^{[9, 12, 13]}。具有纳米结构的气凝胶材料在二氧化碳吸附中占据着重要位置，研究发现氨基杂化后的SiO₂气凝胶具有更好的二氧化碳吸附性能，可能成为新一代高性能二氧化碳吸附剂。

氨基功能化SiO₂气凝胶研究现状

气凝胶起初定义都是人为设定的，没有一个准确的说法，但是在历年科研中逐渐有了明确的观点。关于气凝胶最初的定义，是由S.Kistler提出来，气凝胶最初的定义如下；制备出来的湿凝胶经过超临界干燥之后获得的物质^[14]。所以满足以上条两种条件制备出来的材料都可以称之为气凝胶。但是最近几年又出现了许多新型的凝胶干燥方式，由之前单一的二氧化碳超临界干燥，创新出例如真空干燥，乙醇超临界干燥等等，气凝胶的定义也有了新的变化，目前，学术界能够接受的气凝胶的定义：不考虑干燥方式，能将湿凝胶干燥并且保持其本身空间结构没被破坏所制备出来的材料，都可以叫做气凝胶。气凝胶自身带有的独特多孔纳米结构，使气凝胶的种类因为结构不同而类别众多。目前研究最多最成熟的是SiO₂气凝胶。

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