基于生物质的炭基多孔材料的制备和能源储存应用
发布时间：2021-01-20 02:59
由于生物质来源广泛和含碳量较高,以生物质为碳源合成炭基多孔材料是获得功能炭材料的重要途径。生物质为原料制备炭材料的主要方法有水热法、模板法和化学活化法。这些制备方法各自存在一些不足之处,主要包括:1)水热法很难获得多孔材料,所得炭材料比表面积较低,颗粒较大,这极大地限制了它在催化和电极材料中的应用;2)模板法所得炭材料一般只具有介孔特性,模板不可重复利用;3)化学活化法一般使用大量KOH,往往既费时又费力,很难获得具有丰富等级孔的炭材料。因此,如何通过有效且绿色的手段将丰富的孔结构引入到炭材料中一直是该领域关注的重点。本论文围绕具有优异性能炭电极材料的构筑这一关键问题展开研究,致力于发展多级孔炭气凝胶合成和改性新策略,将以生物质为炭源,离子液体为反应媒介和致孔剂,通过离子热方法制备具有微-介孔和氮掺杂炭气凝胶材料。论文主要工作如下:（1）以生物质果糖为碳源,利用含铁的离子液体（1-丁基-3-甲基咪唑四氯化铁）作为反应介质对生物质进行炭化,不需要任何活化过程就可转化为多级孔炭材料。在该反应体系中,离子液体回收率高达98%,所得炭材料具有丰富的微孔和介孔结构,比表面积高达1200 m2 g...
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＰＳ－Ｐ４ＶＰ／ｒｅＳ〇ｒＣｉｎ〇ｌ合成有序介孔炭材料的形成过程示意图［３６】??
四氯化铁）作为反应介质对葡萄糖、果糖、．木糖和淀粉进行炭化，不需要任何??活化过程就可实现将多种生物质转化为介孔炭材料，并且证实了离子液体中存??在多种作用力有利于纳米材料的成核和稳定，如图１－３所示，可以观测到所得??炭纳米微球的尺寸（约５０?ｎｍ）要远远小于水热炭微球（２？５?ｐｍ）。该研究认??为在此过程中离子液体的阴阳离子同时扮演着双功能模板剂的角色：咪唑基阳??离子及其聚集态诱导形成介孔，四氯化铁离子是微孔的致孔剂。而微－介等级孔??炭可提供快速离子通道，进而提高离子交换速率，其在超级电容器性能中展示??出较高的电容特性。??图１－３基于葡萄糖、果糖、木糖和淀粉离子热法制备的炭材料的扫描电镜图［５２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?（Ａ）?Ｃ－ｇｌｕｃｏｓｅ－７５０，?（Ｂ）?Ｃ－ｆｉｒｕｃｔｏｓｅ－７５０，?（Ｃ）?Ｃ－ｘｙｌｏｓｅ－７５０?ａｎｄ??（Ｄ）?Ｃ－ｓｔａｒｃｈ－７５０［５２］??此后，离子液体不断用来制备炭基多孔材料。戴胜［５３］、Ｍ?Ａｎｔｏｎｉｅｔｔｉ人［５４］??和王勇等人［５５］—直致力于这方面的研究，大力推动了该领域的发展。戴胜和浙??王勇（如图１－４）利用较昂贵的离子液体１－丁基－３－甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺??盐（［Ｂｍｉｍ］［ＮＴｆ２］）［４］炭化生物质及其衍生物，可以获得氮掺杂多孔炭材料，其??比表面积可以达到２７０?ｍ２?ｇ＇并且回收利用离子液体，通过高温扩孔比表面积??８??
??按照不同的工作原理，可以把超级电容器电极材料分为三类，如图１－７所??示：一是以炭基材料为代表的双电层电容为原理的电极材料；二是以过渡金属??化合物为代表的法拉第准电容为原理的赝电容电极材料；三是以复合材料为代??表的混合电容原理的电极材料，即综合了双电层电容和赝电容特性的电极材料??ｔ７２］。其中炭基多孔材料因其丰富、广泛的碳源，超高的比表面积、导电性强、??易于调控等优势受到研宄人员的青睐。?－??级电容器电极材??／??＾?＾?（?—＼??第一阶段双电层电容?第二阶段赝电容电?第三阶段混合电容??电极材料（１９５７年）?极材料（１９７１年）?电极材料（１９９３年）??炭?活碳金?导?炭?炭??碳气性纳?ｆ?－ｉ?Ｉ化Ｉ合??Ｓ凝?米＝Ｉ?Ｉ物１物??—＿ｉｉ胶ｉｉ炭ｉｉ管１１物丨物?丨氧?丨窠??图１－７超级电容器电极材料的发展与分类??Ｆｉｇｕｒｅ?１－７?Ｔｈｅ?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ａｎｄ?Ｃａｔｅｇｏｒｙ?ｏｆ?Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??炭材料的种类繁多，其中活性炭、碳纤维、碳纳米管、炭气凝胶等都可以??作为电极材料应用在超级电容器上。??通过活化具有三维孔道结构的炭前驱体制备所得的活性炭，是最为常见的??电极材料。活化方法和前驱体不同得到的活性炭物理化学性质也不尽相同１７３，７４］，??但是经过活化后的炭材料都具有超高的比表面积，有些可达３０００?ｍ２?ｇ人但是??活性炭多以微孔为主，孔径分布不均，孔隙较小，往往只允许体积较小的电解??质的渗入
本文编号：2988229
【文章来源】：福州大学福建省 211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＰＳ－Ｐ４ＶＰ／ｒｅＳ〇ｒＣｉｎ〇ｌ合成有序介孔炭材料的形成过程示意图［３６】??
四氯化铁）作为反应介质对葡萄糖、果糖、．木糖和淀粉进行炭化，不需要任何??活化过程就可实现将多种生物质转化为介孔炭材料，并且证实了离子液体中存??在多种作用力有利于纳米材料的成核和稳定，如图１－３所示，可以观测到所得??炭纳米微球的尺寸（约５０?ｎｍ）要远远小于水热炭微球（２？５?ｐｍ）。该研究认??为在此过程中离子液体的阴阳离子同时扮演着双功能模板剂的角色：咪唑基阳??离子及其聚集态诱导形成介孔，四氯化铁离子是微孔的致孔剂。而微－介等级孔??炭可提供快速离子通道，进而提高离子交换速率，其在超级电容器性能中展示??出较高的电容特性。??图１－３基于葡萄糖、果糖、木糖和淀粉离子热法制备的炭材料的扫描电镜图［５２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－３?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?（Ａ）?Ｃ－ｇｌｕｃｏｓｅ－７５０，?（Ｂ）?Ｃ－ｆｉｒｕｃｔｏｓｅ－７５０，?（Ｃ）?Ｃ－ｘｙｌｏｓｅ－７５０?ａｎｄ??（Ｄ）?Ｃ－ｓｔａｒｃｈ－７５０［５２］??此后，离子液体不断用来制备炭基多孔材料。戴胜［５３］、Ｍ?Ａｎｔｏｎｉｅｔｔｉ人［５４］??和王勇等人［５５］—直致力于这方面的研究，大力推动了该领域的发展。戴胜和浙??王勇（如图１－４）利用较昂贵的离子液体１－丁基－３－甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺??盐（［Ｂｍｉｍ］［ＮＴｆ２］）［４］炭化生物质及其衍生物，可以获得氮掺杂多孔炭材料，其??比表面积可以达到２７０?ｍ２?ｇ＇并且回收利用离子液体，通过高温扩孔比表面积??８??
??按照不同的工作原理，可以把超级电容器电极材料分为三类，如图１－７所??示：一是以炭基材料为代表的双电层电容为原理的电极材料；二是以过渡金属??化合物为代表的法拉第准电容为原理的赝电容电极材料；三是以复合材料为代??表的混合电容原理的电极材料，即综合了双电层电容和赝电容特性的电极材料??ｔ７２］。其中炭基多孔材料因其丰富、广泛的碳源，超高的比表面积、导电性强、??易于调控等优势受到研宄人员的青睐。?－??级电容器电极材??／??＾?＾?（?—＼??第一阶段双电层电容?第二阶段赝电容电?第三阶段混合电容??电极材料（１９５７年）?极材料（１９７１年）?电极材料（１９９３年）??炭?活碳金?导?炭?炭??碳气性纳?ｆ?－ｉ?Ｉ化Ｉ合??Ｓ凝?米＝Ｉ?Ｉ物１物??—＿ｉｉ胶ｉｉ炭ｉｉ管１１物丨物?丨氧?丨窠??图１－７超级电容器电极材料的发展与分类??Ｆｉｇｕｒｅ?１－７?Ｔｈｅ?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ａｎｄ?Ｃａｔｅｇｏｒｙ?ｏｆ?Ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??炭材料的种类繁多，其中活性炭、碳纤维、碳纳米管、炭气凝胶等都可以??作为电极材料应用在超级电容器上。??通过活化具有三维孔道结构的炭前驱体制备所得的活性炭，是最为常见的??电极材料。活化方法和前驱体不同得到的活性炭物理化学性质也不尽相同１７３，７４］，??但是经过活化后的炭材料都具有超高的比表面积，有些可达３０００?ｍ２?ｇ人但是??活性炭多以微孔为主，孔径分布不均，孔隙较小，往往只允许体积较小的电解??质的渗入
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