淀粉基多孔炭的制备及性能研究

发布时间：2019-11-11 00:07

【摘要】：能源是一种特殊的资源。地球上的能源资源按照能否再生可分为两类:不可再生资源和可再生资源。目前在世界初级能源的产量和消费中,居第一位的是石油,其次是煤炭、天然气。随着石油、煤炭、天然气等化石能源的储量日益减少以及随之而来的CO_2、NO_2、SO_2等有害气体和温室气体的排放,全球面临着能源与环保问题的双重加剧,这些问题已经成为现代社会关注的焦点,因此,找寻新的替代能源对世界能源的发展具有重要的意义。当今,普遍认为利用可再生生物质资源逐步替代石油类化工产品可以有效地帮助解决环境问题,建立一个可持续发展的社会。生物质是一种廉价、易得、环保的可再生资源,它是可再生资源中唯一可利用的碳源,是制备高性能碳材料优质的前驱体,因此,以可再生资源生物质为原料减少或替代不可再生资源化石燃料制备一系列高附加值碳质材料是未来全球发展的方向。淀粉是生物质资源中的一种,作为一种天然多糖类化合物,具有价格低廉、来源广泛、绿色环保、可以再生等特点,淀粉及其衍生物广泛应用在食品、医药、生物、化工、纺织、造纸、水处理等众多行业。本文以玉米淀粉作为碳质材料的前驱体,以H_3PO_4作为化学活化剂,通过不同合成方法制备多孔炭,并研究了其应用性能,主要内容为以下几个方面:1.以玉米淀粉为原料,采用低温常压硫酸催化水解、原位缩聚水热炭化法制备出水热炭,水热炭再采用H_3PO_4化学活化法制备出高性能的多孔炭,通过扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、元素分析仪、氮气吸附脱附测试、循环伏安测试和恒电流充放电测试等技术,研究了活化条件对多孔炭形貌、微观结构及电化学性能的影响,制备的多孔炭比表面积可达1188 m2 g~(-1),总孔容为1.40 cm3g~(-1),比电容为143.6 F g~(-1),能量密度为19.9 Wh kg~(-1),5000次充放电循环后仍保持初始比电容的99%以上,比电容损失不到1%。2.以玉米淀粉为原料,直接采用H_3PO_4化学活化法制备出高性能的多孔炭,通过扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、元素分析仪、氮气吸附脱附测试、循环伏安测试和恒电流充放电测试等技术,研究了活化条件对多孔炭形貌、微观结构及电化学性能的影响,得出最佳活化条件:活化温度500℃,活化时间1 h,浸渍比例4:1(g/g),多孔炭的比表面积为1167 m2 g~(-1),总孔容为1.80 cm3 g~(-1),比电容为161.7 F g~(-1),能量密度为22.5 Wh kg~(-1),5000次充放电循环后比电容为152.7 F g~(-1),仍保持初始比电容的94%以上。3.对比不同合成方法制备多孔炭的结构性能,玉米淀粉直接采用H_3PO_4化学活化制备出的多孔炭孔隙更发达,因此选择H_3PO_4直接活化法制备的最佳条件多孔炭为吸附剂,研究其对溶液中Cu~(2+)、Pb~(2+)和Cd~(2+)的吸附性能,并与市售商业活性炭进行对比分析,探究了离子浓度、吸附时间、溶液p H、投炭量以及温度对多孔炭吸附性能的影响,比较了多孔炭对三种重金属离子的吸附容量,同时结合吸附动力学和吸附等温线模型的研究,得出自制淀粉基多孔炭相对于市售商业活性炭具有较好的吸附性能和较高的性价比,二者对重金属离子吸附容量大小顺序均为:Pb~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+),吸附行为均符合准二级吸附动力学模型和Langmuir吸附等温线模型,均为单分子层化学吸附。本文以生物质玉米淀粉为原料,以H_3PO_4为化学活化剂,通过大量的实验和系列的表征方法,研究了不同合成方法制备多孔炭的应用性能。结果表明玉米淀粉基多孔炭具有良好的电化学性能和吸附性能,其较好的电化学性能可应用在储能领域,例如作为超级电容器电极材料,其较好的吸附性能可应用在环保领域,例如作为吸附剂材料。淀粉基多孔炭的制备的研究成果,提出了H_3PO_4作为活化剂实现由淀粉制备多孔炭的新方法,为多孔炭在电极材料和吸附剂方面的应用提供了新路线。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ424

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