纤维素纳米纤维的制备及其在电解水催化剂中的应用

作     者：杨翔皓 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：司传领

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纤维素纳米晶体 纤维素纳米纤丝 低共熔溶剂 电解水 催化剂 

摘      要：纤维素纳米纤维是一种新型纳米材料,主要由来源丰富且可再生的纤维素制得,因其具有优越的材料性能,在诸多领域均展现出巨大的应用潜能。然而,实现纤维素纳米纤维的推广应用的关键之一是如何实现纤维素纳米纤维的经济高效绿色制备。传统制备纤维素纳米纤维的方法存在对设备腐蚀性强、污染环境、反应液难回用以及高耗能等缺点,因此,有必要对更加绿色高效的纤维素纳米纤维制备方法进行开发。本课题开发了一种高效绿色的制备纤维素纳米纤维的方法,使用三氯化铁催化草酸和氯化胆碱低共熔体系（F-DES）水解制备纤维素纳米晶体（CNCs）。在应用方面,将纤维素纳米纤维应用于开发可再生、可持续的清洁能源--氢能具有重要意义。本课题利用草酸/氯化胆碱低共熔体系预处理结合高压均质制备的纤维素纳米纤丝（CNFs）制备成气凝胶,并以此为基材可控限量吸附非贵金属离子,辅以热解处理,制备结构与组成可控的非贵金属电解水催化剂,所得催化剂展现出良好的电解水催化性能。首先研究开发出一种环境友好的且可持续的F-DES,高效绿色地制备出了热稳定性优异的CNCs。研究发现,以草酸二水合物（Oxd）、氯化胆碱（ChCl）和六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O）组成的低共熔溶剂催化体系的最佳组成为:Oxd、ChCl和FeCl3·6H2O质量比为4:1:0.15（摩尔比为4.43:1:0.1）。该体系在温和的条件下（80℃反应6h）实现将漂白硫酸盐桉木浆（BEKP）水解成直径为5-20 nm、长度为50～300 nm的CNCs,其收率可达70%以上。合成的CNCs比传统的硫酸水解产物具有更高的热稳定性,并且草酸通过酯键链在CNCs表面,使其表面含有丰富的羧基,因此,制得的CNCs可以在水中表现出优越的分散稳定性。此外,分离的F-DES可直接重复使用至少三次制备CNCs,经三次回用之后的F-DES通过一个简单的过程便可将其中所有成分分离开来,几乎没有污染物释放到环境中。因此,采用F-DES工艺制备CNCs是一种绿色、高效且可持续的方法。其次研究采用Oxd和ChCl预处理BEKP并结合高压均质的机械作用制备出CNFs。利用该CNFs制备出水凝胶,然后以此CNFs水凝胶对不同浓度Fe3+、Ni2+离子进行吸附,并经过冷冻干燥处理后得以CNFs气凝胶为前驱体,通过合理的控制热解温度,采用两步升温热解的方法,制备出过渡金属掺杂的碳基电分解水催化剂。制得催化剂具有独特的纳米颗粒形态,将其制备成电催化墨水,随后分散在碳布上。通过实验测试了该催化剂及碱性条件下的分解水性能,具有优异的析氢反应（hydrogen evolution reaction,HER）和析氧反应（oxygen evolution reaction,OER）催化性能。电化学测试表明,在10 mA/cm2时,析氢反应过电位为117 mV,Tafel斜率为81 mV/dec,10 mA/cm2时,析氧反应过电位为270 mV,Tafel斜率为46 mV dec,同时该催化剂还具有优异的稳定性,其运行的长期耐久性超过10 h。