本文關鍵詞：植物麻桿基和膠原基生物質多孔炭的制備、表征及性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：生物質多孔炭具有孔結構發(fā)達、比表面積大、表面官能團豐富、原料可再生且無污染等特點,在吸附、分離、催化與儲能等領域應用前景廣泛。多孔炭的比表面積、孔徑分布和表面化學是影響其應用性能的主要因素,而且與前驅體原料的特點及制備過程密切相關。選擇適宜的生物質原料和制備方法,并調控材料的物理化學性質及研究結構與性能的關系具有重要的學術意義。本論文以植物基大麻桿和動物基豬皮膠原兩種生物質原料為碳前驅體,經不同的合成方法制備了結構與性能各異的多孔炭材料,研究了制備條件對材料孔結構和表面化學的影響,并進一步探討了材料結構與應用性能的關系。以NMMO(N-methylmorpholine-N-oxide)提取的大麻桿纖維素為原料,與HDI(hexamethylene diisocyanate)通過化學交聯(lián)合成了纖維素微球,該產物炭化后結構坍塌,球形難以維持。以堿提取的大麻桿半纖維素為原料由稀酸催化水熱可制得含氧官能團豐富的碳質微球,該產物經預炭化和KOH活化可得到球形形貌良好且比表面積高達3062 m2/g的多孔炭微球。采用SEM、FTIR、XRD、N2吸脫附等手段研究了稀酸種類、濃度、水熱溫度和時間對水熱碳微球產率、形貌和化學組成的影響,以及活化堿炭比對多孔炭微球孔結構和表面化學的影響。研究表明,稀酸催化半纖維素可在較低溫度下制得碳微球,稀硫酸催化水熱產品形貌較好,收率較高,且硫酸溶液濃度越大,水熱溫度越高,時間越長,水熱產物形貌越好,收率越高,碳含量越多,氧含量越少。引入預炭化過程可有效避免KOH活化導致的形貌破壞,活化所得多孔炭微球表面氧含量、比表面積、總孔容、微孔容和中孔容都隨堿炭比增大呈增大的趨勢。多孔炭微球在三電極和兩電極KOH超級電容體系中分別表現(xiàn)出最高318和255 F/g的比容量,且具有良好的大電流放電能力和循環(huán)穩(wěn)定性。優(yōu)良的電容性能歸功于由雙電層電容和材料表面含氧官能團的贗電容共同貢獻的高比容量,以及合理的孔分布所帶來的低離子傳輸阻力。較多的微孔還使多孔炭微球在0℃、常壓下有良好的CO2和CH4吸附性能。以堿提取的大麻桿半纖維素為碳前驅體,通過與TEOS(tetraethoxysilane)水解的硅物種組裝,硬模板法制備了中孔炭材料,樣品最高比表面積828 m2/g,中孔率可達76%。采用SEM、N2吸脫附等手段研究了物料用量對產物形貌和孔結構的影響。研究表明,隨大麻桿半纖維素用量的增加,產物形貌由球形顆粒向含有泡沫結構的不規(guī)則塊狀過渡。產物比表面積、總孔容、中孔容和平均孔徑隨半纖維素用量增加呈先增大后減小的趨勢,微孔容持續(xù)減小。由電化學性能研究可知,中孔炭樣品具有較低的離子遷移阻力,隨電流密度的增大比容量衰減幅度較小,倍率性能優(yōu)良。還創(chuàng)新性地以大麻桿和硫酸亞鐵共熱,原位炭化還原法一步制備了FeS/Fe納米顆粒負載的多孔炭材料。采用HRTEM、XRD、XPS和N2吸脫附等表征手段研究了炭化溫度和硫酸亞鐵添加量對多孔炭物相組成和孔結構的影響,并深入討論了不同pH值下材料對水中Cr(Ⅵ)的脫除性能和脫除機制。結果表明,在大麻桿炭化所形成的還原性氣氛下,硫酸亞鐵在800℃可分解并被還原為FeS/Fe嵌在炭基體中,溫度是影響物相組成的主要因素。升高溫度使材料孔結構變得更加豐富；增加硫酸亞鐵用量起到擴孔作用,同時會降低比表面積和孔容。低pH值能提高Cr(Ⅵ)的消除量,但同時會增加溶液中Fe的釋放,pH保持在4-5左右有利于材料發(fā)揮最佳應用性能。表面吸附和還原協(xié)同作用使FeS/Fe負載的多孔炭在pH=5時表現(xiàn)出127 mg/g的高Cr(Ⅵ)脫除量。論文還以高含氮量的豬皮膠原為原料,經炭化和KOH活化制備了氮摻雜的多孔炭材料。通過XPS、元素分析和N2吸脫附等表征方法研究了炭化溫度、活化溫度和堿炭比對材料表面化學和孔結構的影響。研究發(fā)現(xiàn),N、O含量隨炭化溫度和活化溫度的升高而降低,但炭化溫度的影響相對較�。籒含量隨活化堿炭比的增大而降低,O含量隨活化堿炭比的增大而升高；N含量受活化溫度的影響最為顯著�；罨a物的比表面積、總孔容、平均孔徑、中孔容和微孔容都隨堿炭比的增大呈先增大后減小的趨勢；但隨活化溫度的升高,比表面積和總孔容先增大后減小,平均孔徑和中孔容持續(xù)增大,微孔容持續(xù)減�。豢捉Y構受堿炭比的影響最為顯著。低溫高堿炭比活化有利于獲得同時具備較高N、O含量和較高比表面積的多孔炭。堿炭比4.5/1、600℃活化的樣品具有分別為3.77wt.%和12.28 at.%的較高N、O含量,同時比表面積達到2209 m2/g。堿炭比4.5/1、800℃活化的樣品N含量雖不到1wt.%,但比表面積高達3465 m2/g。前者因具有更多的微孔、適當的中孔和高N、O含量而表現(xiàn)出547 F/g的高比容量,且在50 A/g大電流密度下依然能保持224 F/g的容量。高氮摻雜量能促進H2在多孔炭上低壓吸附,但吸附量最終受比表面積和孔結構的制約,高比表面積和3nm以下的孔有利于H2吸附。表面含氮官能團對CO2吸附也有促進作用,1nm以下窄微孔含量決定了樣品CO2吸附量。CH4在豬皮膠原基多孔炭上的吸附也受窄微孔的制約,堿炭比4.5/1、600℃活化的樣品上CO2對CH4的吸附選擇性最佳。
【關鍵詞】：多孔炭 生物質 孔結構 表面化學 氮摻雜 超級電容器 氣體吸附 除鉻
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ424.1
【目錄】：

• 摘要5-9
• ABSTRACT9-24
• 符號說明24-26
• 第一章 緒論26-52
• 1.1 生物質炭概述26-27
• 1.2 生物質炭制備方法27-29
• 1.2.1 直接炭化活化法27-28
• 1.2.2 水熱法28-29
• 1.2.3 模板法29
• 1.3 生物質炭的比表面積29-30
• 1.4 生物質炭的孔徑分布30
• 1.5 生物質炭的表面化學30-32
• 1.6 生物質炭的應用及研究現(xiàn)狀32-38
• 1.6.1 超級電容器電極材料32-35
• 1.6.2 氣體吸附與儲存35-37
• 1.6.3 水處理37-38
• 1.7 項目來源38
• 1.8 立題意義和背景38-39
• 1.9 主要研究內容39
• 1.10 預期創(chuàng)新之處39-40
• 參考文獻40-52
• 第二章 材料制備與研究方法52-62
• 2.1 主要實驗原料和藥品52
• 2.2 大麻桿基多孔炭微球的制備52-54
• 2.2.1 纖維素交聯(lián)HDI微球的制備與炭化52-53
• 2.2.2 大麻桿半纖維素的提取與水熱碳化53-54
• 2.2.3 多孔炭微球的制備54
• 2.3 大麻桿基中孔炭的制備54
• 2.4 負載FeS/Fe的大麻桿基多孔炭的制備54-55
• 2.5 豬皮膠原基氮摻雜多孔炭的制備55
• 2.5.1 豬皮膠原的炭化55
• 2.5.2 豬皮膠原基炭的活化55
• 2.6 材料表征手段55-57
• 2.6.1 掃描電鏡(SEM)55-56
• 2.6.2 透射電鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)56
• 2.6.3 能量色散X射線光譜(EDX)56
• 2.6.4 X射線衍射(XRD)56
• 2.6.5 傅里葉紅外光譜(FTIR)56
• 2.6.6 有機元素分析(EA)56
• 2.6.7 X射線光電子能譜(XPS)56
• 2.6.8 綜合熱分析(TG/DSC)56-57
• 2.6.9 拉曼分析(Raman)57
• 2.6.10 氮氣(N_2)吸脫附57
• 2.6.11 粒度分析57
• 2.7 材料性能評價57-60
• 2.7.1 電化學性能測試57-58
• 2.7.2 二氧化碳(CO_2)吸附58
• 2.7.3 氫氣(H_2)吸附58
• 2.7.4 甲烷(CH_4)吸附58-59
• 2.7.5 六價鉻(Cr(Ⅵ))脫除59-60
• 參考文獻60-62
• 第三章 大麻桿基多孔炭微球的制備、結構及性能研究62-102
• 3.1 植物纖維素交聯(lián)HDI微球的表征63-68
• 3.1.1 樣品形貌63-64
• 3.1.2 紅外表征64-65
• 3.1.3 纖維素與HDI交聯(lián)成球機理65-66
• 3.1.4 纖維素交聯(lián)HDI微球的炭化66-68
• 3.2 大麻桿半纖維素的紅外表征68-69
• 3.3 大麻桿半纖維素稀酸催化水熱碳微球的表征69-81
• 3.3.1 稀酸種類對水熱碳微球的影響69-74
• 3.3.2 酸濃度對水熱碳微球形的影響74-77
• 3.3.3 溫度對水熱碳微球的影響77-79
• 3.3.4 時間對水熱碳微球的影響79-81
• 3.4 大麻桿半纖維素稀酸催化水熱碳微球的活化81-89
• 3.4.1 用于活化的水熱碳微球的特點81-83
• 3.4.2 水熱碳微球的預炭化83-84
• 3.4.3 活化堿炭比對多孔炭微球的影響84-89
• 3.5 活化多孔炭微球的電化學性能89-93
• 3.6 活化多孔炭微球的CO_2和CH_4吸附性能93-95
• 3.7 本章小結95-96
• 參考文獻96-102
• 第四章 大麻桿基中孔炭的制備、結構及電化學性能102-114
• 4.1 大麻桿基中孔炭的表征102-107
• 4.1.1 樣品形貌102-103
• 4.1.2 FTIR表征103-104
• 4.1.3 小角XRD表征104-105
• 4.1.4 孔結構表征105-107
• 4.2 半纖維素/SiO_2組裝機制107
• 4.3 電化學性能測試107-112
• 4.4 本章小結112
• 參考文獻112-114
• 第五章 負載FeS/Fe的大麻桿基多孔炭的制備、結構及Cr(Ⅵ)脫除性能研究114-138
• 5.1 浸漬硫酸亞鐵的大麻桿的炭化過程分析114-115
• 5.2 溫度和硫酸亞鐵添加量對炭化樣品物相組成的影響115-117
• 5.3 炭化樣品的表面化學117-118
• 5.4 炭化樣品的透射電鏡(TEM)表征118-119
• 5.5 炭化樣品的孔結構特點119-122
• 5.6 樣品對水中Cr(Ⅵ)的脫除性能122-132
• 5.6.1 Cr(Ⅵ)脫除量與樣品孔結構的關系122-124
• 5.6.2 C/FeS/Fe復合物脫除Cr(Ⅵ)的機制探討124-127
• 5.6.3 pH值對C/FeS/Fe復合物脫除Cr(Ⅵ)的影響127-129
• 5.6.4 不同pH下C/FeS/Fe復合物脫除Cr(Ⅵ)的動力學129-130
• 5.6.5 C/FeS/Fe脫除Cr(Ⅵ)的吸附等溫線130-132
• 5.7 本章小結132
• 參考文獻132-138
• 第六章 豬皮膠原基氮摻雜多孔炭的制備、結構及性能研究138-192
• 6.1 豬皮膠原原料的表征138-141
• 6.1.1 掃描電鏡138-139
• 6.1.2 紅外分析139-140
• 6.1.3 元素分析140
• 6.1.4 熱重分析140-141
• 6.2 豬皮膠原炭化產物的表征141-147
• 6.2.1 掃描電鏡141-142
• 6.2.2 紅外分析142-143
• 6.2.3 元素分析與XPS143-145
• 6.2.4 XRD145-147
• 6.3 不同活化堿炭比制備豬皮膠原基多孔炭的表征147-156
• 6.3.1 N_2吸脫附149-151
• 6.3.2 紅外分析151-152
• 6.3.3 元素分析與XPS152-155
• 6.3.4 XRD155-156
• 6.4 不同活化溫度制備豬皮膠原基多孔炭的表征156-167
• 6.4.1 樣品形貌157-159
• 6.4.2 N_2吸脫附159-160
• 6.4.3 紅外分析160-161
• 6.4.4 元素分析與XPS161-165
• 6.4.5 XRD測試165-166
• 6.4.6 拉曼分析166-167
• 6.5 豬皮膠原基多孔炭的電化學性能167-173
• 6.5.1 不同活化堿炭比制備樣品的電化學性能167-170
• 6.5.2 不同活化溫度制備樣品的電化學性能170-173
• 6.6 豬皮膠原基多孔炭的H_2吸附性能173-178
• 6.6.1 不同活化堿炭比制備樣品的H_2吸附性能174-176
• 6.6.2 不同活化溫度制備樣品的H_2吸附性能176-178
• 6.7 豬皮膠原基多孔炭的CO_2吸附性能178-182
• 6.7.1 不同活化堿炭比制備樣品的CO_2吸附性能178-180
• 6.7.2 不同活化溫度制備樣品的CO_2吸附性能180-182
• 6.8 豬皮膠原基多孔炭的CH_4吸附性能182-185
• 6.8.1 不同活化堿炭比制備樣品的CH_4吸附性能182-184
• 6.8.2 不同活化溫度制備樣品的CH_4吸附性能184-185
• 6.9 CO_2對CH_4在豬皮膠原基多孔炭上的吸附選擇性185-186
• 6.10 本章小結186-187
• 參考文獻187-192
• 第七章 結論192-196
• 致謝196-198
• 研究成果及發(fā)表的學術論文198-200
• 作者和導師簡介200-201
• 附件201-202

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 陳孝云;林秀蘭;魏起華;林金春;歐水麗;;活性炭表面化學改性及應用研究進展[J];科學技術與工程;2008年19期

  本文關鍵詞：植物麻桿基和膠原基生物質多孔炭的制備、表征及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：390156