超声—砂磨辅助制备生物质多级孔碳及其能源与环境应用研究
发布时间：2021-01-23 11:12
多孔碳材料具有比表面积大、多孔、导电、导热、耐酸碱等优点,在储能、吸附、催化等领域有广泛应用。农林废弃物等生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,来源广泛、可再生、低成本,是制备多孔碳的理想原料。河南是农业大省,每年产生大量的玉米芯、秸秆等非粮生物质,如不能有效利用还会给农业生产带来麻烦;以玉米芯等废弃物为原料制备生物质多孔碳,既可减少化石资源的利用量,又可变废为宝,为农林废弃生物质的高值利用提供新途径,具有理论与应用价值。本论文以量丰价廉的玉米芯为原料,首次引入“超声-砂磨”的机械化学作用,高效制备高纯、高比表面积、微/介孔多级孔生物质碳材料。针对生物质基碳Si、Al等杂质难去除、比表面积低、孔径结构单一等问题,在传统“碳化-活化”制备工艺基础上,引入超声化学、机械化学,实现了微/介孔比例可调控的多级孔结构生物质碳材料的高效制备。论文采用XRD、SEM、TEM、XPS、N2吸附-脱附、TG-DSC等手段对样品的组成、结构进行了系统表征,系统研究了优化条件下所得样品在电容储能、染料吸附、重金属离子吸附、非贵金属电催化剂载体等方面的应用。主要研究结果如下:（1）...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.2双电层超级电容器的组成结构图示[8]
其中,C为双电层电容,A为双电层的有效比表面积,εr是电解质的介电常数,ε0是真空介电常数,d为双电层的距离。碳材料是当前应用在双电层超级电容器上应用最广泛的一类电极材料,主要包括多孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等[7]。生物质多孔碳拥有较高的比表面积、丰富的孔道、稳定的物理化学性质、环境友好以及成本低的特点,广泛应用在超级电容器电极材料中[11]。具有丰富微孔的多孔碳能够有效提升其比电容[12.13],尤其是亚纳米(0.7 nm)处的微孔[14,15,16];但是,过多的微孔会限制离子进入空隙的能力,增加电荷离子在多孔碳孔道中的传输与扩散阻力,尤其在大电流密度下进行充放电测试时,导致比电容性能下降,不能保持较好的倍率性能[17]。因此,人们采取各种方式探讨微孔、介孔在超级电容器电化学性能中的作用。
Zhi等人[19]进一步研究了多孔碳孔结构对超级电容器电化学性能的影响,他们利用废弃的轮胎作为碳前驱体材料,采用热解和化学活化的方法,制备出了多孔碳。通过改变活化剂的加入量、活化温度、活化时间等工艺参数来研究微孔、介孔对超级电容器电化学性能的影响。如图1.4(a、b)所示,分析结果表明多孔碳电极材料的比电容是受微孔孔容的控制,而不是介孔孔容,倍率性能受介孔与微孔体积比来控制,而不是单纯介孔孔容的大小来决定。图1.5多孔碳活性材料BBC-4在5~500 m V s-1扫速下循环伏安(CV)曲线[20]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in carbon-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction[J]. Lulu Chen,Xiaolong Xu,Wenxiu Yang,Jianbo Jia. Chinese Chemical Letters. 2020(03)
[2]Nitrogen-doped graphite encapsulated Fe/Fe3C nanoparticles and carbon black for enhanced performance towards oxygen reduction[J]. Jie Zhu,Zewei Xiong,Jiming Zheng,Zhihong Luo,Guangbin Zhu,Chao Xiao,Zhengbing Meng,Yibing Li,Kun Luo. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[3]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[4]KOH activated carbon derived from biomass-banana fibers as an efficient negative electrode in high performance asymmetric supercapacitor[J]. Chaitra K,Vinny R T,Sivaraman P,Narendra Reddy,Chunyan Hu,Krishna Venkatesh,Vivek C S,Nagaraju N,Kathyayini N. Journal of Energy Chemistry. 2017(01)
[5]活性炭的表面含氧官能团及其对吸附影响的研究进展[J]. 孟冠华,李爱民,张全兴. 离子交换与吸附. 2007(01)
[6]中国生物质产业及发展取向[J]. 孙振钧. 农业工程学报. 2004(05)
本文编号：2995113
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1.2双电层超级电容器的组成结构图示[8]
其中,C为双电层电容,A为双电层的有效比表面积,εr是电解质的介电常数,ε0是真空介电常数,d为双电层的距离。碳材料是当前应用在双电层超级电容器上应用最广泛的一类电极材料,主要包括多孔碳、碳气凝胶、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等[7]。生物质多孔碳拥有较高的比表面积、丰富的孔道、稳定的物理化学性质、环境友好以及成本低的特点,广泛应用在超级电容器电极材料中[11]。具有丰富微孔的多孔碳能够有效提升其比电容[12.13],尤其是亚纳米(0.7 nm)处的微孔[14,15,16];但是,过多的微孔会限制离子进入空隙的能力,增加电荷离子在多孔碳孔道中的传输与扩散阻力,尤其在大电流密度下进行充放电测试时,导致比电容性能下降,不能保持较好的倍率性能[17]。因此,人们采取各种方式探讨微孔、介孔在超级电容器电化学性能中的作用。
Zhi等人[19]进一步研究了多孔碳孔结构对超级电容器电化学性能的影响,他们利用废弃的轮胎作为碳前驱体材料,采用热解和化学活化的方法,制备出了多孔碳。通过改变活化剂的加入量、活化温度、活化时间等工艺参数来研究微孔、介孔对超级电容器电化学性能的影响。如图1.4(a、b)所示,分析结果表明多孔碳电极材料的比电容是受微孔孔容的控制,而不是介孔孔容,倍率性能受介孔与微孔体积比来控制,而不是单纯介孔孔容的大小来决定。图1.5多孔碳活性材料BBC-4在5~500 m V s-1扫速下循环伏安(CV)曲线[20]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in carbon-based electrocatalysts for oxygen reduction reaction[J]. Lulu Chen,Xiaolong Xu,Wenxiu Yang,Jianbo Jia. Chinese Chemical Letters. 2020(03)
[2]Nitrogen-doped graphite encapsulated Fe/Fe3C nanoparticles and carbon black for enhanced performance towards oxygen reduction[J]. Jie Zhu,Zewei Xiong,Jiming Zheng,Zhihong Luo,Guangbin Zhu,Chao Xiao,Zhengbing Meng,Yibing Li,Kun Luo. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[3]氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展[J]. 钟国玉,王红娟,余皓,彭峰. 化学学报. 2017(10)
[4]KOH activated carbon derived from biomass-banana fibers as an efficient negative electrode in high performance asymmetric supercapacitor[J]. Chaitra K,Vinny R T,Sivaraman P,Narendra Reddy,Chunyan Hu,Krishna Venkatesh,Vivek C S,Nagaraju N,Kathyayini N. Journal of Energy Chemistry. 2017(01)
[5]活性炭的表面含氧官能团及其对吸附影响的研究进展[J]. 孟冠华,李爱民,张全兴. 离子交换与吸附. 2007(01)
[6]中国生物质产业及发展取向[J]. 孙振钧. 农业工程学报. 2004(05)
本文编号：2995113
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