论文部分内容阅读
生物质废弃物资源化利用一直以来都是环境化工领域的热门话题。生物质作为大自然中的可再生资源,具有来源广泛和绿色环保的优点,将富碳型生物质作为碳源制备多孔炭材料可以很好地满足工业化生产需求。与陆地生物质相比,水生植物受天气等自然因素的影响较小,而且不用占据稀缺的陆地资源,特别是生长环境使得多数水生植物本身已有丰富的孔隙结构支撑其呼吸作用,在制备高性能多孔炭材料方面具有明显的优势。本文以海藻浒苔和莲杆两种水生植物基生物质为碳前驱物制备了具有不同微结构和表面化学特性的多孔炭材料,并详细研究了其在二氧化碳吸附和电化学储能方面的应用。主要内容介绍如下:首先,我们用海藻-浒苔作为碳源,采用冷冻干燥保持其本身固有特性,直接一步碳化制备了富含氮-氧共掺杂的层次孔炭材料。测试结果表明这种层次孔炭材料的比表面积约450 m2/g,氧氮掺杂量分别为11.5和4.4at.%,同时介孔体积高达70%。二氧化碳吸附结果表明常温20 bar的吸附量为5.41 mmol/g。电化学测试结果表明0.5 A/g时6MKOH溶液中的比电容高达234F/g,循环2000次后保持95%初始电容量。在此基础上,我们将浒苔在不同温度下用KOH活化处理得到比表面积高达3345 m2/g、氧氮含量分别为10.83和3.48 at.%的层次孔炭材料,表现出优异的二氧化碳吸附和电化学储能特性。二氧化碳吸附结果表明常温常压下的吸附量高达3.85 mmol/g,20 bar时的吸附量高达25.26mmol/g。电化学测试结果表明1 A/g时6M KOH溶液中的比电容高达220F/g,循环5000次后仍保持87%初始电容量。其次,我们将海藻浒苔置于密封容器内,采用水热碳化法制备了浒苔基水热炭前驱物,通过简单控制活化温度制备了富含微球形貌的氮掺杂微孔炭材料。测试结果表明这类微孔炭微球的比表面积高达1979 m2/g,同时氮含量为4.3 at.%,表现出优异的二氧化碳吸附和电化学储能特性。二氧化碳吸附结果表明常温常下下的吸附量高达3.87 mmol/g,吸附热高达28 kJ/mol。电化学测试结果表明1 A/g时6M KOH溶液中的比电容高达200 F/g,但其在高电流密度10 A/g时表现出优异的循环稳定性,循环10000次后仍保持96%初始电容量。第三,为了研究氮掺杂对多孔炭材料性能的影响,我们对浒苔基水热炭用KOH活化过程中通过添加二次氮源来增加含氮量,制备了一种比表面积为1098 m2/g、氮掺杂浓度高达15.5 at.%的微孔炭材料。二氧化碳吸附结果表明常压0和25℃时的吸附量分别为3.06和1.86 mmol/g,高浓度氮元素的存在使得二氧化碳吸附热高达40 kJ/mol。氧还原测试结果表明0.1M KOH溶液中1600转速时的电流密度约4.1 mA/cm2,对甲醇表现出优异的稳定性,循环20000s后电流密度保持91.1%,同等条件下商业化Pt/C电极的电流密度仅63.7%。超级电容器测试结果表明在0.5A/g时6M KOH溶液中的比电容为210 F/g,在2A/g时循环10000次后电容量几乎没有衰减,保持率仍接近100%。最后,我们采用湘潭本土丰富的莲杆废弃物作为碳源,在采用水热法制备水热炭的基础上进行KOH活化处理,得到一种比表面积高达2893m2/g的多孔炭材料。二氧化碳吸附结果表明,在常压0℃和25℃时的吸附量分别为6.17和3.85 mmol/g,吸附热为42.5kJ/mol。通过这一对比试验,我们发现多孔炭材料孔径分布对二氧化碳常压下的吸附量起主要作用,这为后续有效制备高性能二氧化碳吸附剂提供有效指导。