以金属木质素络合物为前驱体的多孔碳材料制备与应用

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在当下社会进步、经济快速发展的大趋势下,环境破坏和资源短缺问题也接踵而至。因此,高值化开发利用可再生且储量丰富的生物质资源并将其应用于环境修复引起研究人员广泛的关注。木质素作为一种丰富且可再生的低成本生物聚合物,具有高碳含量和高芳香性,是一种理想的碳前驱体。另外,由于木质素中含有丰富的官能团如酚羟基、醇羟基及羧基等,导致其作为碳前驱体还具有优异的灵活性和可设计性。本文以杨木硫酸盐木质素为原料,以复配金属盐得到的金属木质素络合物作为碳前驱体,制备了具有高吸附性和高催化活性的木质素多孔碳基材料,并应用于污染废水的处理,在实现工业木质素的高值化利用的同时,对经济的绿色可持续发展也具有重要意义。(1)通过直接向黑液中加入Zn Cl2溶液,以形成木质素-锌络合物的方式从黑液中分离出木质素,并将获得的木质素-锌络合物作为前驱体通过无活化剂碳化工艺制备活性炭。相对于传统利用酸析和浸渍工艺制备活性炭来说,不仅简化了工艺流程,而且避免了酸的大量消耗。经Zn Cl2络合(0.5 m M/m L Zn Cl2,0.6 m L/m L黑液)后,黑液中分离出超过85%的木质素,同时处理过的黑液COD值降低了超过70%,p H值降为中性。锌离子均匀分布在木质素-锌络合物中,有助于碳化过程中多孔结构的均匀发展。因此,与在Zn Cl2溶液中预浸渍的酸析木质素相比,由木质素-锌络合物碳化的活性炭在比表面积和吸附容量方面均显着增加。此外,所制备的活性炭对阳离子亚甲基蓝和阴离子甲基橙的最大平衡吸附容量分别为1047 mg/g和264 mg/g,优于大多数报道的活性炭吸附剂。因此,本工作开发了一种以木质素-锌为前驱体的黑液生产活性炭的简便高效方法,为黑液的高值化利用提供了一条有前景的途径。(2)利用杨木硫酸盐木质素作为原料,进行金属木质素(M-L,M=Zn、Pd)配合物的组装,经“一锅合成法”制备了氮掺杂碳负载钯锌合金(Pd/Zn@NC)催化剂,并将其用于六价铬的催化还原。改变三聚氰胺添加量和Pd、Zn盐的摩尔质量比可以有效调控合金纳米颗粒的分散性与粒径。当加入10倍的三聚氰胺(相对于酸析木质素质量),Pd、Zn盐的摩尔质量比为1:29的条件时,制备出具有高度分散、超小粒径的Pd Zn合金纳米颗粒催化剂(Pd/Zn29@N10C),其在FA还原剂的作用下对Cr(VI)具有良好的催化活性,优于单锌金属催化剂(Zn@N10C)、不掺氮催化剂(Pd/Zn29@C)和具有相同钯负载量的商业钯碳。催化性能的提高在很大程度上取决于合金成分和NC载体催化协同效应。此外,Pd/Zn29@N10C催化剂也表现出优异的循环稳定性。总体而言,这项工作为制备高活性合金催化剂提供了一种简单而可行的方法,为开发木质素多功能化的催化剂材料提供了一种新的有效途径。
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