生物質(zhì)基多孔碳材料的制備與應(yīng)用.pdf

1、工業(yè)革命以來，全世界對能源需求越來越大，隨之而來的是化石燃料的日趨枯竭以及由此產(chǎn)生的CO2等氣體的大量排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。為了解決這些問題，一方面是尋求清潔、高效的綠色能源，同時開發(fā)高效廉價的儲能裝置提高能源利用率；另一方面是對 CO2進(jìn)行捕獲處理，對已經(jīng)造成的污染進(jìn)行治理。生物質(zhì)基多孔碳材料由于具有高比表面積、高孔隙率、性能穩(wěn)定，且其來源廣泛，持續(xù)可再生，環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)受到科學(xué)家們的重視，被廣泛應(yīng)用于超級電容器、

2、鋰離子電池、氧還原催化劑、CO2捕獲等諸多領(lǐng)域。本論文以生物質(zhì)多孔碳材料為研究對象，開展以下三個方面的研究工作：
　　1.以構(gòu)樹皮為原料通過 KOH水熱法制備摻雜多孔碳材料應(yīng)用于超級電容器電極材料。首先將樹皮在堿性環(huán)境中水熱處理，除去樹皮中的果膠半纖維素等雜質(zhì)，制得植物纖維，再將含有 KOH的植物纖維過濾烘干后直接碳化，大批量、簡單、方便的制備出比表面積達(dá)1212 m2 g–1的層狀多孔碳材料。由于其自身的氮摻雜以及多孔結(jié)構(gòu)(平均

3、孔徑3.8nm)使其在6M KOH電解質(zhì)中具有320 Fg–1（0.5 A g–1）的高比電容容量，并且循環(huán)10000次之后容量仍然可保持初始容量的94％。
　　2.以構(gòu)樹樹皮為原料通過 H2SO4水熱法制備摻雜多孔碳材料應(yīng)用于超級電容器和 CO2捕獲。構(gòu)樹樹皮通過水熱過程在稀硫酸的催化下水解、重新聚合形成水熱碳，再將水熱碳經(jīng)800℃氫氧化鉀活化，制備出納米級片狀結(jié)構(gòu)堆疊而成的雜原子摻雜多孔碳材。該材料比表面積可達(dá)1759 m2g

4、–1，平均孔徑3.11 nm，孔隙容積0.92 m3 g–1,適量的氮摻雜（約1.43%）和氧摻雜（9.09%）使其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和 CO2吸附性能。作為超級電容器電極材料，其三電極測試比電容可達(dá)416 Fg–1，雙電極測試比電容可達(dá)300F g–1；作為CO2吸附材料，常壓0℃下CO2吸附量可達(dá)6.71 mmol g–1，25℃下CO2吸附量可達(dá)4.45 mmol g–1，并且具有良好的選擇性，吸附量N2/CO2=7.1%。電容

5、器雙電極測試循環(huán)20000次之后電容值依然保持在初始值87.2%，吸附CO2循環(huán)7次后吸附量幾乎保持不變。
　　3.以茶花花瓣為碳源通過爆炸輔助碳化法制備雜原子摻雜、褶皺碳納米片（CNS）電極材料。將過硫酸銨與茶花花瓣充分混合后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下發(fā)生類似爆炸的劇烈反應(yīng)，由于受熱過程中過硫酸銨劇烈分解放出大量氣體將花瓣撕裂并碳化形成摻雜碳納米片。該碳納米片厚度在100 nm以下，且具有1122m2g–1比表面積，總孔容積為0.61m3g–