论文部分内容阅读
生物质资源的循环利用是人类可持续发展的重要课题,对解决目前面对的能源、环境问题有着重要意义。通过简单易施行的生物质热化学转化制备生物质多孔炭无疑是一种较优方案。目前有关生物质多孔炭的制备研究大都聚焦在原料的选取及后续的刻蚀过程上,对碳骨架的生长及其对刻蚀反应的影响没有深入的探究。本研究尝试从碳骨架的调控及与活化剂的刻蚀反应出发,探索具有高度原料适用性、高造孔效率、简单易施行的多孔炭制备方法,并提出相应的孔结构调控策略,主要内容与结论如下:(1)本文首先从生物质炭化自活化出发,探究了升温速率、载气流速以及无机元素组成形态调变碳骨架生长对制备多孔炭的影响。对于增强烧蚀反应实现的自活化多孔炭制备,升温速率提高有利于无定形碳骨架结构产生,使介孔孔容增加、微孔降低。在降低载气流速增强烧蚀反应情况下,升温速率提高会进一步促进缺陷与孔隙的产生;对于利用无机组分的刻蚀及模板效果实现的自活化制备,升温速率提高会降低无机组分的刻蚀效果,也不利于模板效果的发挥,微、介孔孔隙均有下降。对于生物质衍生盐类原料,升温速率提高利于小尺寸孔隙生成,但同时也抑制孔隙形成;(2)本文探究了典型有机钾盐的造孔特点及造孔行为。采用一锅法时,有机钾盐具有与KOH相近的活化效果,而有机钾盐产生了分布更为集中的窄介孔和更少的模板孔隙;对于不同碱金属或碱土金属盐的乙酸盐,钾盐主要形成微孔孔隙,而钠、镁、钙盐的微孔刻蚀效果较差,主要表现出了大介孔模板效果;乙酸钾添加下的炭化过程可分为三个阶段:100400℃阶段,乙酸钾熔融进入催化气孔深入焦颗粒内部,通过氢键连接提高了乙酸钾在焦中分散性。400600℃阶段中乙酸钾分解形成新的碳骨架,覆盖于原焦表面,并产生钾物种初步刻蚀碳骨架产生微孔。600℃以上,主要钾物种K2CO3进一步刻蚀碳骨架,产生新的孔隙并进一步扩孔;基于以上机制,KAc对生物质三组分均表现出优异的活化造孔效果,所得多孔炭用作超级电容器电极活性材料时,在1A/g的电流密度下比电容可达200240 F/g。(3)本文探究了制备条件对乙酸钾辅助一锅法制得多孔炭孔隙结构的影响机制,并探究了原料特性对乙酸钾辅助一锅法制得多孔炭孔隙结构的影响。对于炭化终温,当提高到900℃时会使孔隙坍塌,而过高的乙酸钾添加比例也会降低刻蚀效果;升温速率提高会使产率下降,但孔隙结构得到显著发展,高载气流速也更有利于孔隙结构的发展,升温速率与载气流速提高会使无定形碳骨架占比升高;多孔炭比表面积与孔容积在高升温速率及载气流速下分别达到了2264.59 m2/g及1.10 cm3/g。乙酸钾对木质纤维素类生物质都表现出了优异的活化效果,比表面积与孔容积分布在18222358 m2/g及0.971.41 cm3/g之间,半纤维素有利于介孔的进行,而无机模板组分的存在使大介孔得到显著发展。该方法也适用于微藻类生物质、多糖类生物质,但不适用于壳聚糖。