高比表面積碳化硅

第1章碳化矽概述/001
1.1自然界的碳化矽/001
1.2碳化矽的人工合成/004
1.3碳化矽的結構和命名/007
1.4碳化矽的性質和應用/007
1.4.1碳化矽在磨料和磨具領域中的應用/009
1.4.2碳化矽在耐火材料中的應用/010
1.4.3碳化矽在複合材料增強方面的應用/010
1.4.4碳化矽在電子材料領域的應用/010
1.4.5碳化矽在吸波材料中的應用/010
1.4.6碳化矽在生物醫學領域的應用/011
參考文獻/012

第2章高比表面積碳化矽的製備方法/014
2.1範本法/015
2.1.1碳範本法/015
2.1.2氧化矽範本法/021
2.2碳矽凝膠碳熱還原法/031
2.3化學氣相沉積法/034
2.4矽烷及聚碳矽烷熱解法/036
2.5溶劑熱還原法/037
2.6碳化矽複合型載體的製備方法/040
2.6.1碳化矽衍生碳/040
2.6.2分子篩/碳化矽複合物/040
參考文獻/042

第3章高比表面積碳化矽作為多相催化劑載體/048
3.1高溫催化反應/049
3.1.1甲烷重整制合成氣/049
3.1.2烷烴的氧化偶聯和脫氫反應/057
3.2強放熱反應/063
3.2.1費托合成/063
3.2.2甲烷催化燃燒/066
3.2.3甲烷化反應/069
3.2.4甲醇轉化/071
3.2.5其他放熱反應/072
3.3苛刻條件下的反應/073
3.3.1H2S的選擇性氧化/073
3.3.2合成氨/073
3.3.3硫酸分解反應/074
參考文獻/075

第4章高比表面積碳化矽光催化應用/082
4.1碳化矽光催化的一般原理/083
4.2光催化分解水/085
4.2.1純碳化矽光解水/086
4.2.2金屬/碳化矽光解水/090
4.2.3石墨烯碳化矽複合物光解水/091
4.2.4半導體碳化矽複合物光解水/093
4.3光催化降解有機污染物/094
4.4光催化CO2還原/098
4.5光催化有機合成/100
參考文獻/113

第5章高比表面積碳化矽電催化應用/118
5.1電化學感測器/119
5.1.1氣體檢測/119
5.1.2溶液中離子的檢測/121
5.1.3有機污染物及生物分子的檢測/122
5.2燃料電池催化劑/128
5.2.1氧氣還原催化劑/129
5.2.2甲醇氧化催化劑/131
5.3染料敏化太陽能電池/137
5.3.1碳化矽光陽極/138
5.3.2碳化矽對電極/139
5.4鋰離子電池材料/140
5.5超級電容器材料/145
參考文獻/148

第6章高比表面積碳化矽吸波材料/156
6.1材料吸收電磁波的機理/157
6.2SiC微粉的吸波性能/159
6.3納米SiC的吸波性能/161
6.4摻雜SiC的吸波性能/164
6.5SiC複合材料的吸波性能/166
參考文獻/168

碳化矽是一種常見的工業陶瓷材料，自1891年被霍華德·艾奇遜合成出來以後，在磨料、磨具、耐高溫陶瓷以及微電子領域得到了廣泛的應用。目前，全世界碳化矽的年產量已超過200萬噸，都是採用改進的艾奇遜法生產出來的。這種方法以河沙、焦炭（或煤）等為原料，通過石墨電極加熱到2500℃以上，氧化矽和碳之間發生反應形成碳化矽。由於反應溫度高，得到的產品都是α-碳化矽，比表面積很低，一般不到1m2/g。碳化矽具有非常高的機械強度和化學穩定性，而且導電導熱性能良好。這些優良的性能，使得它有望成為一種新的催化劑載體材料。然而，碳化矽要想作為催化劑載體得到應用，它的比表面積就必須得到大幅度的提高。

早在20世紀90年代，國外一些學者就開展了碳化矽作為催化劑載體的研究，也發展出了一些製備高比表面積碳化矽的方法。例如，法國斯特拉斯堡大學Loudex教授課題組發明的形狀記憶合成法就是一種有效的製備高比表面積碳化矽的方法，可製備比表面積大於30m2/g的β-碳化矽。國內也有不少學者注意到碳化矽作為催化劑載體的優越性。編著者課題組，從2000年開始研究高比表面積碳化矽的製備方法，發明了一種溶膠凝膠結合碳熱還原製備碳化矽的方法。

這種方法經過初步的工業放大試驗後，仍能製備出比表面積大於60m2/g的β-碳化矽。其後，課題組一直從事高比表面積碳化矽的研究工作，探索了這種材料作為催化劑載體在高溫、強放熱等反應中的應用，發現碳化矽作為載體不僅可改善催化劑的穩定性，而且催化劑的預處理條件也相對簡單。最近幾年，人們發現碳化矽用於光催化和電催化時，也表現出了一些特殊的優勢。因此，有關碳化矽在熱催化、光催化以及電催化方面應用的文獻報導越來越多。

國內雖然已經有一些關於碳化矽的著作，但都是把碳化矽作為一種高性能陶瓷材料或者微電子材料來介紹的。據編著者所知，國內目前還沒有關於高比表面積碳化矽製備以及高比表面積碳化矽在催化中應用的書籍。因此，我們感到有責任將分散在浩如煙海的科學文獻中關於碳化矽的工作，進行系統整理和綜合分析，編成一書，以利于我國研究人員在進入這一領域時能迅速對本領域有一個比較全面的瞭解。

本書在成書過程中得到了作者前工作單位（中國科學院山西煤炭化學研究所）課題組同事和學生的大力協助。靳國強、王英勇、郭曉甯和童希立等同事，多年來一直在本課題組從事有關碳化矽的研究，在本書寫作過程中做了大量工作，不僅協助本人整理了相關章節的文獻，甚至還寫出了章節的初稿。本書中介紹的相當一部分工作都是本課題組完成的，這得益於曾經和仍然在課題組學習和工作的研究生們。如果沒有他們的辛勤努力，肯定不可能有這本書的問世。另外，在本書寫作過程中，經常需要查找一些文獻，也是請學生們幫忙找到的。在此，對他們一併表示感謝。

國家自然科學基金委員會十幾年來曾多次支持課題組開展關於高比表面積碳化矽的研究工作，山西省科技廳也以科技重大專項的形式支持高比表面積碳化矽產業化的研究，在此表示感謝。感謝江蘇省綠色催化材料與技術重點實驗室資助本書出版。最後，我要感謝化學工業出版社的相關編輯，沒有他們的辛勤付出，本書的完成也是不可想像的。

高比表面積碳化矽雖然是一個比較小的研究領域，從眾多期刊中找出相關的文獻仍然並非易事，再加上編著者水準有限，疏漏之處在所難免，敬請專家和讀者批評指正。

郭向雲
2019年5月于常州大學