本文關(guān)鍵詞：生物質(zhì)水熱炭微球的可控合成表征及應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：二十世紀(jì)八十年代富勒烯的發(fā)現(xiàn)促進了科學(xué)家們對納米尺度下具有特定形貌的炭材料的關(guān)注和開發(fā)。到目前為止,文獻報導(dǎo)中常見納米炭材料形貌有納米管、納米線、納米洋蔥、納米微球、納米棒和納米膠囊等。其中,納米球狀炭材料(炭微球)因具有機械強度高、裝填性能好、流體流動性能優(yōu)異等特點而備受關(guān)注。納米炭微球已經(jīng)在多個領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,它們已經(jīng)被廣泛用作催化劑載體、吸附材料、打印墨水、橡膠增強劑和電極材料等。目前工業(yè)上廣泛采用的利用煤和重油為原料合成納米炭微球的方法存在制作工藝復(fù)雜、微球顆粒尺寸不均、成本高昂等問題。實驗研究中常用的模板法、電弧放電和化學(xué)氣相沉積等制備納米炭微球的方法也存在類似問題。這些缺點激發(fā)了科學(xué)家們對更加綠色、節(jié)能、可持續(xù)的納米炭微球合成路徑的探索。碳水化合物的水熱碳化是制備多功能炭材料的一種低成本、高可持續(xù)性的方法。多種碳水化合物類生物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元(如葡萄糖、果糖、纖維素、淀粉和環(huán)糊精等)和生物質(zhì)原材料(甘蔗渣和大米等)都能通過低溫(150-300℃)水熱過程形成尺度分布在幾納米到幾十微米范圍內(nèi)的炭微球。盡管優(yōu)勢突出,這類方法制備的炭微球仍存在尺寸分布寬、黏連嚴(yán)重、比表面積低和合成重復(fù)性差等問題。本文針對水熱炭微球的這些缺點,利用單糖葡萄糖或果糖作為模型碳源,開發(fā)了以聚電解質(zhì)為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑可控合成尺寸均一炭微球的方法。并且針對水熱炭微球活化過程中的操作方法復(fù)雜、污染高和產(chǎn)率低等問題,開發(fā)了簡單的空氣活化合成多孔炭微球法。這些方法所取得的創(chuàng)新型成果如下：1.實現(xiàn)了尺寸均一、單分散炭微球的高濃度、高產(chǎn)率可控合成無論以原始生物質(zhì)還是生物質(zhì)衍生物作為碳源,水熱法制備的炭微球都存在尺寸分布寬,微球間黏連嚴(yán)重等問題。這些問題對炭微球的理論研究和實際應(yīng)用都造成了障礙。本文以葡萄糖為碳源,添加極微量聚電解質(zhì)聚丙烯酸鈉(PAANa)作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,在高葡萄糖濃度下,高產(chǎn)率地合成了尺寸分布窄,單分散的炭微球。合成中PAANa添加量少(濃度為0.3 g/L,遠低于碳源的160-400 g/L)。PAANa的加入不僅未對炭球表面化學(xué)結(jié)構(gòu)造成破壞,而且提高了水熱過程的產(chǎn)率。炭微球尺寸可通過水熱過程的溫度、時間或葡萄糖的濃度進行精確調(diào)控。在保持單分散性和尺寸均一性的前提下,微球直徑可在400-1000 nm范圍內(nèi)變化。水熱合成的這類軟質(zhì)炭微球既可以高溫碳化形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硬質(zhì)炭微球也可以直接作為模板合成多孔氧化物。2.低于100 nm炭微球的高濃度,高產(chǎn)率合成低尺寸炭微球的高濃度制備是液相合成炭微球的一個難點,因為炭核在尺度較小時表面能大,會自發(fā)繼續(xù)生長為300 nm以上的微球。我們以葡萄糖和果糖作為原料,利用聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)作為低添加量結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,高碳源濃度下水熱合成了尺寸分布范圍為60-80 nm,分散性良好的炭微球。這些炭微球可以通過堆積和低程度黏連構(gòu)建成為三維大孔-介孔結(jié)構(gòu)。炭微球的比表面積也由小于5m2/g增長到78 m2/g。3.高介孔比例炭微球的合成本文中利用空氣作為活化劑,在空氣馬弗爐中直接對水熱炭微球高溫處理實現(xiàn)了造孔和碳化。1000℃空氣中活化后,炭微球的BET比表面積可以達到1704 m2/g,孔體積達到了1.22 cm3/g且介孔比例達到了51%。對于水溶液中大分子染料(亞甲基藍,孔雀石綠,甲基藍等)表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能。尤其對亞甲基藍的吸附量達到了1068 mg/g,優(yōu)于傳統(tǒng)活性炭(100～1000 mg/g)。該方法解決了強酸或強堿活化法操作復(fù)雜、腐蝕性高、產(chǎn)品無介孔等問題。4.以炭微球為基礎(chǔ)的二元多級孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑通過空氣活化60-80 nm炭微球構(gòu)建了二元大孔-介孔/介孔-微孔多級孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)有利于聚電解質(zhì)離子在材料內(nèi)的有效傳輸和吸附。900℃活化后,其比表面積可達到1306 m2/g,孔容達到1.01 cm3/g,其中介孔比例高達63.9%。作為超級電容器電極材料,其比電容高達170 F/g,等效串聯(lián)電阻小�？傮w來說,我們針對水熱法合成的炭微球尺寸分布寬、炭微球黏連嚴(yán)重和比表面積低的問題,開發(fā)了聚電解質(zhì)導(dǎo)向水熱合成法和空氣活化法。這些方法為水熱炭材料的設(shè)計和可控合成提供了經(jīng)驗。并為炭微球的工業(yè)合成和應(yīng)用提供了廣闊的前景。
【關(guān)鍵詞】：炭微球 水熱法 空氣活化 吸附 超級電容器
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-15
• 第1章 緒論15-41
• 1.1 課題背景15
• 1.2 炭微球的發(fā)展和研究現(xiàn)狀15-24
• 1.2.1 炭微球的發(fā)展15-16
• 1.2.2 炭微球分類16-17
• 1.2.3 常用合成炭微球的方法17-24
• 1.3 生物質(zhì)水熱炭微球簡介24-38
• 1.3.1 常用于水熱合成炭微球的生物質(zhì)原料25-30
• 1.3.2 生物質(zhì)水熱炭微球的形成機理30-34
• 1.3.3 生物質(zhì)水熱炭微球的應(yīng)用34-38
• 1.4 本論文的研究思路和主要研究內(nèi)容38-41
• 1.4.1 研究思路38-39
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容39-41
• 第2章 均一、單分散炭微球的水熱合成41-65
• 2.1 引言41-42
• 2.2 實驗部分42-46
• 2.2.1 實驗試劑和藥品42
• 2.2.2 主要實驗儀器42-43
• 2.2.3 MDCSs的合成43
• 2.2.4 MDCSs的碳化43
• 2.2.5 以MDCSs為模板合成大孔-介孔二氧化硅材料43
• 2.2.6 以MDCSs為模板合成中空金屬氧化物43-44
• 2.2.7 炭微球結(jié)構(gòu)的主要表征方式44-46
• 2.3 實驗結(jié)果與討論46-59
• 2.3.1 PAANa對葡萄糖水熱炭微球形貌的影響46-50
• 2.3.2 PAANa對炭微球表面性質(zhì)的影響50-51
• 2.3.3 PAANa濃度對炭微球形貌的影響51-52
• 2.3.4 水熱時間和溫度對炭微球形貌的影響52-54
• 2.3.5 葡萄糖濃度對炭微球形貌的影響54-55
• 2.3.6 PAANa的添加對水熱產(chǎn)率的影響55-57
• 2.3.7 PAANa輔助水熱過程的機理57-59
• 2.4 MDCSs的處理和應(yīng)用59-63
• 2.4.1 MDCSs的碳化59-61
• 2.4.2 MDCSs作為模板合成中空氧化物61-63
• 2.5 本章小結(jié)63-65
• 第3章 尺寸小于100 nm的炭微球的大量合成65-79
• 3.1 引言65-66
• 3.2 實驗部分66-67
• 3.2.1 實驗試劑和藥品66
• 3.2.2 實驗儀器66
• 3.2.3 炭微球的合成66-67
• 3.2.4 炭微球結(jié)構(gòu)的表征67
• 3.3 結(jié)果與討論67-78
• 3.3.1 PSS的加入對炭微球形貌的影響67-71
• 3.3.2 PSS的加入量對炭微球形貌的影響71-72
• 3.3.3 PSS的加入對水熱產(chǎn)率的影響72-74
• 3.3.4 炭微球的比表面積和孔容74-75
• 3.3.5 PSS輔助水熱過程的機理75-78
• 3.4 本章小結(jié)78-79
• 第4章 生物質(zhì)水熱炭微球的空氣活化和吸附應(yīng)用79-96
• 4.1 引言79-80
• 4.2 實驗部分80-82
• 4.2.1 實驗試劑和藥品80
• 4.2.2 主要實驗儀器80-81
• 4.2.3 水熱炭微球的制備和活化81
• 4.2.4 炭微球結(jié)構(gòu)的表征81-82
• 4.2.5 CO_2吸附量的測定82
• 4.2.6 染料的吸附性能測試82
• 4.3 結(jié)果與討論82-94
• 4.3.1 炭微球的表征82-91
• 4.3.2 活化后炭微球吸附CO_2性能研究91-93
• 4.3.3 活化后炭微球吸附染料性能研究93-94
• 4.4 本章小結(jié)94-96
• 第5章 水熱炭微球構(gòu)筑二元多級孔結(jié)構(gòu)96-111
• 5.1 引言96-97
• 5.2 實驗部分97-99
• 5.2.1 實驗試劑和藥品97
• 5.2.2 主要實驗儀器97-98
• 5.2.3 炭材料結(jié)構(gòu)的表征98
• 5.2.4 多孔炭材料的合成98-99
• 5.2.5 炭材料電容性質(zhì)的表征99
• 5.3 結(jié)果與分析99-110
• 5.3.1 材料的掃描電鏡和透射電鏡分析99-101
• 5.3.2 材料孔隙的表征101-105
• 5.3.3 材料的結(jié)構(gòu)表征105-106
• 5.3.4 多級孔炭材料的電容性質(zhì)106-110
• 5.4 本章小結(jié)110-111
• 第6章 總結(jié)與展望111-114
• 6.1 總結(jié)111-112
• 6.2 展望112-114
• 參考文獻114-127
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果127-131
• 致謝131

  本文關(guān)鍵詞：生物質(zhì)水熱炭微球的可控合成表征及應(yīng)用研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：269192