生物質基碳材料的制備及在環(huán)境與能源中的應用.pdf

1、人類文明的高速發(fā)展為全球能源危機、生態(tài)環(huán)境惡化和水資源潰乏帶來了極大挑戰(zhàn)。目前，近一半的能源由于能量轉換和存儲效率低而被浪費，水污染和化石燃料燃燒排放二氧化碳引起的溫室效應也對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)帶來了更大的威脅。具有特殊物理化學性能的碳材料在生態(tài)環(huán)境污染物治理、碳捕獲和清潔能源利用中起著重要作用。但其高昂的成本、較低的產(chǎn)率、復雜的設備及惡劣的合成條件阻礙了它們在實際中的應用。生物質含有大量的碳元素，并具有數(shù)量大、成本低、可再生等特點而成

2、為理想碳材料的原料。如何通過環(huán)境友好、高效清潔的工藝過程，以廉價可再生資源制備成本低、表面性質及孔結構可控的碳基材料，實現(xiàn)“能源”與“生態(tài)環(huán)境”友好共存，成為研究者近年來關注的焦點。
　　本論文以可再生農(nóng)業(yè)剩余物玉米秸稈和林業(yè)生物質沙柳為起始原料，采用成本低、簡單、環(huán)保的水熱碳化及功能化、石墨化和高溫活化技術制備碳基材料。研究碳材料在環(huán)境與能源領域中的應用，主要包括以下幾部分內容:
　　1.以玉米秸桿為原料，采用水熱碳化法制

3、備水合碳材料并考察其吸附性能。在200℃水熱反應條件下，系統(tǒng)考察了反應時間(3-44 h)對水合碳表面功能基、形貌和孔結構的影響。結果表明，玉米秸桿水熱反應制備水合碳球的最佳反應時間為26 h。制備的碳材料對水溶液中Cr(Ⅵ)的吸附實驗表明，26 h水合碳對水溶液中Cr(Ⅵ)去除能力最好，室溫下0.1g水合碳對10 mg L-1 Cr(Ⅵ)的去除率達67％左右。
　　2.以沙柳為原料，采用水熱碳化法制備水合碳材料并考察其吸附性能。

4、結果表明，以沙柳為原料制備的水合碳結構、形貌與玉米秸桿基水合碳完全不同。220℃水熱反應26 h所得沙柳基水合碳(HC-26)呈現(xiàn)類分子篩網(wǎng)狀結構，且隨水熱反應時間增長，結構越來越致密，最終形成類似海綿狀結構。HC-26水合碳表面的含氧和含氮功能基的相對含量最多，BET比表面積也較大，因而有利于吸附質的擴散。HC-26水合碳對水溶液中苯酚、Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附實驗研究表明，該水合碳吸附水溶液中微量苯酚和Ni(Ⅱ)的效果并不理想，然

5、而卻是理想的Cr(Ⅵ)吸附劑。當pH值為1時，對Cr(Ⅵ)的去除率高達98％以上。
　　3.以沙柳為原料，通過在氨水溶液中水熱碳化與后期高溫活化方法，制備了系列氮摻雜多孔碳材料，探索了活化溫度、活化劑種類和活化劑比例對碳材料織構性質和CO2吸附性能的影響。結果表明，以ZnCl2為活化劑制備的含氮多孔碳，其孔結構主要以介孔為主，而以KOH為活化劑制備的含氮多孔碳其孔結構主要以微孔為主;活化劑KOH的比例不同，其孔隙結構存在差異。當K

6、OH/水合碳重量比為1∶6，活化溫度為900℃時，獲得的多孔碳（HC-N-K-6-800）具有碳納米管狀結構，其對CO2的吸附性能也最佳。在溫度為25℃、吸附壓力為0-1.0 bar、吸附時間為58 min條件下，HC-N-K-6-800對CO2的飽和吸附量是110.1 mg g-1。
　　4.以沙柳為原料，采用水熱碳化與高溫石墨化方法制備石墨化碳材料，探索了水熱反應時間對碳材料石墨化程度的影響，并以石墨碳為載體負載Pt制備了Pt

7、/石墨碳催化劑，考察了其電催化性能。結果表明，以Ni(NO3)2·6H2O為石墨化催化劑，900℃碳化沙柳基水合碳后，可以獲得具有石墨化結構的碳納米材料。碳材料的石墨化程度隨水熱反應時間的延長而增加。電化學研究表明，以制備的石墨碳作為電極材料，用于修飾電極可以增加其可逆性;而負載納米粒子Pt后的石墨碳表現(xiàn)出較好的甲醇氧化催化活性，且對甲醇的氧化催化活性優(yōu)于商業(yè)Pt/C(20％)電極。
　　5.以沙柳為原料，在ZnCl2/KCl的水

8、溶液中分別采用傳統(tǒng)水熱碳化與微波水熱碳化和高溫活化制備了系列活性碳。探索了水熱方法、水熱反應時間、活化劑ZnCl2的比例對水合碳及活性碳的織構性質和電化學性能的影響。結果表明，盡管傳統(tǒng)水熱法制備的水合碳比表面積較低，但以它為前驅體制備的活性碳比表面積卻較高;而微波水熱法的規(guī)律與其相反。通過調控ZnCl2比例，可以調整活性碳中微孔/介孔的孔結構。對傳統(tǒng)水熱法，當水合碳與ZnCl2的比例為1∶2時，制備的活性碳的比表面積為1021.87 m