题名植物基氮掺杂多孔碳材料的制备及其性能研究
作者姜莹芳
答辩日期2019-05-26
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师张亚刚
关键词氮掺杂多孔碳 棉籽壳 香蒲 电化学性能 吸附性能
学位名称硕士
学位专业材料工程
英文摘要

氮掺杂多孔碳材料因其在电化学,催化剂,传感器,吸附剂,CO2捕获中的潜在应用而引起广泛关注,这归因于它们的优异性能,比如高比表面积,高孔隙率,可调孔径,均匀的孔结构,优异的表面化学性质,良好的导电性和热稳定性。认为氮原子的掺杂是碳材料提高比容量,增强表面润湿性和加快电子传导性的最有效途径之一,同时能够保持良好的循环稳定性。由于化石燃料的限制和环境保护意识的增强,生物质衍生的碳材料由于其在许多领域中的广泛应用而具有特别的吸引力。如催化剂载体,吸收剂和用于储能和转化的电极活性材料,这些前驱体包括天然生物质(树,叶,果壳等)和生物衍生物(动物明胶,淀粉,纤维素等)。已经开发了用于合成基于生物质的材料的各种策略,包括诸如物理或化学活化,催化活化和模板技术。然而,对于上述方法,由于其复杂,高成本和冗长的能量消耗过程,它们的实际应用仍需要改进。因此,必须设计一种简便的方法来制备具有高表面积,优异性能,高氮含量和低成本的生物的碳材料。本文主要是以生物质为原料,通过不同的制备方法,控制不同的掺杂比和活化温度等工艺,制备出多孔碳材料,用制备出的碳材料测试其在超级电容器和吸附方面的性能。主要采用了如下的制备方法和测试方法:1 以棉籽壳为原料,KOH为活化剂,尿素为氮源,通过同时碳化和活化的简便的一锅法,从棉籽壳中设计和制备具有高氮含量和大表面积的富氮多孔碳。(1)一步碳化活化所制备的NRPC显示出高比表面积(高达2573 m2 g-1),NRPC具有优异的电化学性能,在6 M KOH作为电解质的三电极体系中,在电流密度为0.5 A g-1时具有340 F g-1的最大比电容,在双电极体系中,NRPC-112在0.5 A g-1时也表现出优异的304 F g-1比电容和良好的倍率容量(在电流密度为10 A g-1时保留率约为71%)以及在5000次循环后,具有优异的循环稳定性(在电流密度为5 A g-1时保留约91%)。(2)NRPC对三氯生的吸附能力高达205 mg g-1,对于含氯的物质的吸附和去除效果较好。(3)简单的一锅法对于大规模制备掺杂N的多孔碳材料的也是有利的。这种低成本,丰富的可持续生物资源制备的功能性多孔碳材料能够对储能领域和功能性吸附材料在内的领域产生实质性的影响。2 以香蒲为碳的前驱体,碳酸钾为活化剂,尿素为氮源,浸渍之后在800°C下进行活化和碳化,制备出来氮掺杂的多孔碳材料,制备出来的碳材料具有以下特征:(1)以香蒲为原料,碳酸钾为活化剂,尿素为氮源,制备出具有较高比表面积的多孔碳材料,比表面积为865 m2 g-1,香蒲制备的多孔碳材料表现出较为优异的吸附性能,香蒲制备的碳材料CN800对双氯酚的吸附容量为308 mg g-1,对三氯生的吸附容量为225 mg g-1,对洛克沙砷的吸附容量为150 mg g-1。(2)同时考察了不同生物质制备碳材料时,造成性能差异的因素主要有:制备方法的选择,含有大量纤维素的生物质原料,应选用弱碱作为活化剂,防止强碱对纤维素的分解;强碱有利于制备较大比表面积和丰富孔隙结构的材料,适用于含有大量木质素结构的生物质;原有蓬松结构的生物质对污染物的吸附能力强于结构致密的生物质原料。生物质的来源广泛,廉价易得,但是生物质的结构成分复杂,不同的生物质的制备方法不同,制备出的材料差异也很大,因此,生物质和制备方法的选择显得至关重要。

页码74
内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/5996]  
专题新疆理化技术研究所_资源化学研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
姜莹芳. 植物基氮掺杂多孔碳材料的制备及其性能研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2019.
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