生物質(zhì)基碳材料的制備及在環(huán)境與能源中的應(yīng)用.pdf

1、人類文明的高速發(fā)展為全球能源危機(jī)、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(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率低而被浪費(fèi)，水污染和化石燃料燃燒排放二氧化碳引起的溫室效應(yīng)也對(duì)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(xué)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(fù)雜的設(shè)備及惡劣的合成條件阻礙了它們?cè)趯?shí)際中的應(yīng)用。生物質(zhì)含有大量的碳元素，并具有數(shù)量大、成本低、可再生等特點(diǎn)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(jià)可再生資源制備成本低、表面性質(zhì)及孔結(jié)構(gòu)可控的碳基材料，實(shí)現(xiàn)“能源”與“生態(tài)環(huán)境”友好共存，成為研究者近年來關(guān)注的焦點(diǎn)。
　　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(zhì)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(shù)制備碳基材料。研究碳材料在環(huán)境與能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要包括以下幾部分內(nèi)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(yīng)條件下，系統(tǒng)考察了反應(yīng)時(shí)間(3-44 h)對(duì)水合碳表面功能基、形貌和孔結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，玉米秸桿水熱反應(yīng)制備水合碳球的最佳反應(yīng)時(shí)間為26 h。制備的碳材料對(duì)水溶液中Cr(Ⅵ)的吸附實(shí)驗(yàn)表明，26 h水合碳對(duì)水溶液中Cr(Ⅵ)去除能力最好，室溫下0.1g水合碳對(duì)10 mg L-1 Cr(Ⅵ)的去除率達(dá)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(jié)果表明，以沙柳為原料制備的水合碳結(jié)構(gòu)、形貌與玉米秸桿基水合碳完全不同。220℃水熱反應(yīng)26 h所得沙柳基水合碳(HC-26)呈現(xiàn)類分子篩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且隨水熱反應(yīng)時(shí)間增長，結(jié)構(gòu)越來越致密，最終形成類似海綿狀結(jié)構(gòu)。HC-26水合碳表面的含氧和含氮功能基的相對(duì)含量最多，BET比表面積也較大，因而有利于吸附質(zhì)的擴(kuò)散。HC-26水合碳對(duì)水溶液中苯酚、Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)吸附實(shí)驗(yàn)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(dāng)pH值為1時(shí)，對(duì)Cr(Ⅵ)的去除率高達(dá)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(duì)碳材料織構(gòu)性質(zhì)和CO2吸附性能的影響。結(jié)果表明，以ZnCl2為活化劑制備的含氮多孔碳，其孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要以微孔為主;活化劑KOH的比例不同，其孔隙結(jié)構(gòu)存在差異。當(dāng)K

6、OH/水合碳重量比為1∶6，活化溫度為900℃時(shí)，獲得的多孔碳（HC-N-K-6-800）具有碳納米管狀結(jié)構(gòu)，其對(duì)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(shí)間為58 min條件下，HC-N-K-6-800對(duì)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(yīng)時(shí)間對(duì)碳材料石墨化程度的影響，并以石墨碳為載體負(fù)載Pt制備了Pt

7、/石墨碳催化劑，考察了其電催化性能。結(jié)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(jié)構(gòu)的碳納米材料。碳材料的石墨化程度隨水熱反應(yīng)時(shí)間的延長而增加。電化學(xué)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(fù)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(duì)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(yīng)時(shí)間、活化劑ZnCl2的比例對(duì)水合碳及活性碳的織構(gòu)性質(zhì)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)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(qū)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(diào)控ZnCl2比例，可以調(diào)整活性碳中微孔/介孔的孔結(jié)構(gòu)。對(duì)傳統(tǒng)水熱法，當(dāng)水合碳與ZnCl2的比例為1∶2時(shí)，制備的活性碳的比表面積為1021.87 m