生物质碳材料的制备及其性能研究

发布时间：2017-10-09 17:18

  本文关键词：生物质碳材料的制备及其性能研究

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【摘要】：碳材料因具有优异的吸附性、良好的热稳定性、较高的机械强度等特点,在废水废气处理、电极材料、生物载体等方面具有良好的应用前景,引起了国内外学者的广泛关注。传统的用于制备碳材料的原料主要是石油、煤炭等化石资源,随着人类社会的发展,资源利用的结构正在发生变化,化石资源消耗量增速减缓,可再生资源成为各国学者研究的热点。中国人口众多,人均资源匮乏,开发利用可再生资源迫在眉睫。近年来,生物质作为一种新兴的可再生资源,价格低廉、储量巨大、对环境友好,开始被广泛关注。通过不同方法如热分解法、微波炭化法、水热法等,可以将生物质中的大量碳元素转化为富含活性官能团、比表面积大、具有微孔结构的功能化生物质碳材料,并广泛应用于废水废气吸附和超级电容器领域。水热炭化法作为一种温和的炭化方法,相较于高温炭化法,具有处理设备简单、废弃生物质中碳元素固定效率高、能耗低等优点,已经被证明可以将生物质转变为高功能化碳材料。玉米秸秆和梧桐叶作为一种来源广泛、价格低廉的生物质,其不适当的处理不仅对环境造成污染,也是对生物质资源的浪费。本文以玉米秸秆芯和梧桐叶为碳源,通过水热法和KOH活化法制备多孔生物质碳材料,并用作六价铬废水吸附剂和超级电容器电极材料。主要研究内容如下：以玉米秸秆芯为碳源,利用水热法进行炭化,通过正交试验得到最佳工艺条件。结果表明,最佳工艺条件下所制备的碳材料为几百纳米的炭微球,并且具有一定程度的石墨化,对六价铬离子具有一定的吸附效果,吸附容量为1.182 mg/g;利用PVP修饰的水热碳材料为类球形,表面粗糙,比表面积更大,因此拥有更大的吸附效率,吸附容量达到2.264 mg/g;将水热碳材料经过KOH活化后,得到了表面具有蜂窝状微孔结构的物质,且具有更高的石墨化程度。利用得到的多孔碳材料用作超级电容器电极材料,表现出了良好的电化学性能。在电流密度为0.5 A/g时,多孔碳材料电极具有最大的比电容量,达到315.5F/g。并且在电流密度为20 A/g时,多孔碳材料电极具有优良的循环特性,循环2000次后仍有81.8%的比电容被保留；以梧桐叶为碳源,利用水热法进行炭化,制备出了粒径为1-3μm生物质炭微球,并且具有一定程度的石墨化。通过对六价铬离子吸附效果研究发现,梧桐叶水热碳材料具有良好的吸附性能；利用KOH活化法对梧桐叶生物质碳材料进行活化,得到具有更高石墨化程度的物质,其表面具有蜂窝状微孔结构,在超级电容器电极材料中表现出优良性能。电流密度为0.5 A/g时,多孔碳材料电极的比电容量为365 F/g；电流密度为20 A/g,经过2000次循环后91.7%比电容被保留,表现出了良好的循环性能。
【关键词】：梧桐叶 玉米秸秆 水热炭化 KOH活化 吸附性能 电化学性能
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 生物质简介11-14
• 1.1.1 生物质的利用11-12
• 1.1.2 生物质碳材料12
• 1.1.3 生物质碳材料的制备方法12-14
• 1.2 水热法简介14-18
• 1.2.1 水热法定义及分类14-15
• 1.2.2 水热炭化反应基本原理15-17
• 1.2.3 生物质水热炭化的研究进展17-18
• 1.3 生物质碳材料在超级电容器中的应用18-21
• 1.3.1 超级电容器定义18-19
• 1.3.2 超级电容器工作原理19-20
• 1.3.3 碳基电极材料20
• 1.3.4 生物质基碳电极材料的研究进展20-21
• 1.4 生物质碳材料在废水处理中的应用21-22
• 1.5 研究目的和研究内容22-24
• 1.5.1 研究目的22-23
• 1.5.2 研究内容23-24
• 第2章 实验材料及方法24-28
• 2.1 实验材料24
• 2.2 实验设备24-25
• 2.3 表征手段25-26
• 2.3.1 X射线衍射25
• 2.3.2 拉曼光谱仪25
• 2.3.3 傅里叶红外光谱仪25
• 2.3.4 扫描电子显微镜25-26
• 2.4 性能测试26-28
• 2.4.1 吸附性能26
• 2.4.2 电化学性能26-28
• 第3章 秸秆基碳材料的制备及其性能研究28-41
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28
• 3.3 利用正交试验设计确定水热反应的最佳工艺28-33
• 3.3.1 因素水平的选取28-30
• 3.3.2 正交试验表30
• 3.3.3 正交试验结果分析30-33
• 3.4 水热碳材料的表征33-34
• 3.4.1 水热碳材料的X射线衍射分析33
• 3.4.2 形貌表征33-34
• 3.5 PVP对生物质碳材料制备、形貌及性能的影响34-36
• 3.5.1 PVP对水热碳材料吸附性能的影响34-35
• 3.5.2 形貌表征35-36
• 3.6 多孔碳材料的表征36-37
• 3.6.1 多孔碳材料的拉曼光谱分析36-37
• 3.6.2 形貌表征37
• 3.7 电化学性能分析37-40
• 3.7.1 恒电流充放电分析37-38
• 3.7.2 循环伏安分析38-39
• 3.7.3 交流阻抗分析39-40
• 3.8 本章小结40-41
• 第4章 梧桐叶基多孔碳材料的制备及其性能研究41-53
• 4.1 引言41
• 4.2 实验部分41
• 4.3 工艺过程研究41-42
• 4.4 水热碳材料的表征42-45
• 4.4.1 水热碳材料的X射线衍射分析42-43
• 4.4.2 傅里叶红外光谱分析43
• 4.4.3 形貌表征43-45
• 4.5 多孔碳材料的表征45-47
• 4.5.1 多孔碳材料的X射线衍射分析45
• 4.5.2 拉曼光谱分析45-46
• 4.5.3 形貌表征46-47
• 4.6 多孔碳材料的电化学性能分析47-50
• 4.6.1 恒电流充放电分析47-48
• 4.6.2 循环伏安分析48-49
• 4.6.3 交流阻抗分析49-50
• 4.7 多孔碳材料的吸附性能研究50-52
• 4.7.1 pH值对吸附效率的影响50
• 4.7.2 吸附剂投加量对吸附效率的影响50-51
• 4.7.3 六价铬初始浓度对吸附效率的影响51-52
• 4.8 本章小结52-53
• 第5章 结论及展望53-54
• 5.1 结论53
• 5.2 研究展望53-54
• 参考文献54-61
• 致谢61-62
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况62

【参考文献】

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本文编号：1001424