生物质具有来源广泛、产量丰富、环保可再生等优点,成为合成炭材料的优质原料。可再生和低成本的生物质作为炭材料的前驱体,所制备的炭材料具有价格低廉,比表面积大的优点,可用作吸附剂、催化剂、土壤改良剂等多个领域。过渡金属氧化物具有成本低廉、环境友好、储量丰富等优势,其在催化、电化学、传感和磁学等方面具有广泛的应用前景。但单一的过渡金属氧化物存在导电性低,易聚合和易氧化等缺点,制约了其广泛应用;而炭材料具有高比表面积、高化学稳定性和良好的导电性等优势,可以弥补过渡金属氧化物的不足。本论文利用绿色环保的合成方法制备了一系列生物质炭/过渡金属氧化物复合材料,研究不同方法及制备条件对复合材料物化性能的影响,探究复合材料在吸附、催化和电化学领域的潜在应用,探究生物质炭和过渡金属氧化物间的协同机理,为生物质炭/过渡金属氧化物复合材料的合成与应用提供实验依据和理论基础。本论文的主要研究结果如下:(1)以纤维素为基体,采用微波水热法及调控不同煅烧条件,选择性合成出Fe3O4,γ-Fe2O3和α-Fe2O3,探究不同实验条件对氧化铁物相和吸附性能的影响。研究结果表明,在300和500℃下N2气氛中获得Fe3O4;而在空气气氛中300℃下煅烧得到γ-Fe2O3,500℃ 时得到α-Fe2O3。y-Fe2O3(Air,300℃)复合材料具有 17.6 emug-1的超顺磁性和51.04 mg g-1优异的吸附性能,在120 min内可达到98.72%最大吸附量。(2)采用环境友好的超声波法合成纤维素基亚铁前驱体,随后通过煅烧得到Fe3O4/C纳米复合材料。对比研究发现,不同的纤维素类型对Fe3O4/C纳米复合材料的物相、结晶度和形态有显著的影响。CNC为原料时,获得的炭复合材料中氧化铁的形貌更规则,同时MCC为原料时获得的炭复合材料的吸附速率和吸附率都优于CNC,其吸附平衡时去除效率可达95.0%,在染料废水处理领域具有应用前景。(3)采用纳米纤维素为碳源,利用微波水热法结合高温煅烧制备炭/氧化铁纳米复合材料。在不使用表面活性剂和模板的情况下,探究了不同溶剂对炭/氧化铁纳米复合材料物相形貌的影响。在EG溶液中,Fe3O4纳米颗粒的尺寸约为30-150nm;使用EG/水混合溶剂,形貌变为不规则的椭圆形;只用水作为溶剂时,得到大小为300-5000nm的多面体形状,并探究了不同形貌氧化铁的形成机理。同时纳米复合材料对亚甲基蓝(MB)的吸附过程遵循伪二级反应动力学和Freundlich等温线模型,表明其吸附过程是一个多相系统,且吸附剂经过3次循环后,去除效率仍稳定在70%以上,对染料去除具有良好的循环稳定性。同时对吸附机理进行分析,得炭/氧化铁纳米复合材料的高吸附量是由氧化铁表面大量的羟基和炭材料的高比表面积共同决定所致。(4)添加木质素为碳源,通过静电纺丝技术结合热解法成功制备了氮掺杂的碳纳米纤维(CNFs),并通过添加尿素和化学聚合苯胺单体制得高含量、均匀氮掺杂的CNFs。所得氮掺杂的CNFs具有高比表面积(483 m2 g-1)和均匀直径3D网络结构,可为电荷的稳定储存提供更多的活性位点和快速电荷转移的有效途径。在三电极中CNFs/PANI/N-9样品具有199.5 F g-1的高比电容(约为原始CNFs的四倍),且表现出优异的循环稳定性,在1000次循环后仍具有82%的电容保持率,揭示了具有优异电化学性能的N掺杂的CNFs存储过程中离子扩散和电荷传递途经机制。(5)利用静电纺丝结合碳化法制备出具有柔韧性的多孔Co3O4-CNFs。对苯二甲酸的添加,增加了 CNFs的空隙度及柔韧性。多孔的CNFs网络结构可以缩短电极和电解质之间的电子通路,且氮元素和Co3O4的掺杂提高了样品的导电性。在CNFs与Co3O4的协同作用下,多孔Co3O4-CNFs/9样品在电流密度为0.1 A g-1时,其比电容为369 F g-1,且电容的保留率最大。研究结果表明,多孔Co304-CNFs具有优异的电化学性能,为生物质在电化学领域的应用提供了实验依据。(6)采用微波辅助离子液体法制备纤维素/CuO前驱体,通过控制煅烧温度选择性地合成出具有优异光催化性能的Cu、Cu2O和Cu/Cu2O复合材料。在Cu2O和金属铜、炭材料的协同作用下,抑制了光生电子空穴对的重组。Cu2O/C复合材料在可见光照射5小时后,对MB的去除效率高达99%,其反应符合伪一级动力学模型。TOC值由光照前初始的16.44 mg L-1降低到9.85 mg L-1,表明有机化合物被降解为CO或CO2。该研究为以生物质为前驱体制备碳/金属(金属氧化物)复合材料提供了新途径。(7)以纤维素为原料,采用微波水热法快速合成了纤维素/ZnO复合材料前驱体。细胞毒性结果表明,纤维素/ZnO复合材料的细胞存活率高于95%。以纤维素/ZnO复合材料为前驱体,在N2气氛下制得ZnO/C复合材料。研究结果表明,在紫外光照射240min内,其对MB和罗丹明B(RhB)的降解率分别达到99.67%和55.61%;在可见光照射240min内,其对MB和RhB的降解效率分别可达99.76%和97.42%。并探究了其光催化机理,结果表明基于复合炭材料的吸附与催化的协同作用,提高了 ZnO的光催化性能。本论文部分研究已以第一作者身份发表SCI收录论文7篇,被他人在SCI期刊中引用39次,其中一作累计影响因子28.2,参与编写Elsevier出版英文专著1部,申请发明专利8件,其中2件已授权。