汉麻秆芯基多孔碳的制备及性能研究

作     者：刘振勇 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓明;吴占青

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：汉麻秆芯 多孔碳 磷钨酸 亚甲基蓝 电化学性能 

摘      要：汉麻秆芯这一生物质废弃物通常被填埋或者焚烧处理,这既不符合当今绿色可持续发展的主题,也不能充分利用生物质资源。汉麻秆芯内部具有独特的孔道结构,是制备多孔碳材料的良好前驱体材料。本课题以汉麻秆芯为原料,通过水热碳化技术及后续KOH化学活化法制备出汉麻秆芯基多孔碳材料,对制备出的汉麻秆芯基多孔碳材料进行结构表征分析,并初步探索了其对亚甲基蓝的吸附去除效果和作为超级电容器用电极材料的电化学性能,具体研究结果如下:(1)将汉麻秆芯预处理后,分别在250℃、270℃及290℃条件下水热碳化5h,随后以KOH为活化剂在800℃下活化处理2h,得到汉麻秆芯基多孔碳材料。利用红外光谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、比表面积分析仪等分析碳材料的结构,结果表明在250℃水热条件下制备的汉麻秆芯基多孔碳材料以微孔为主,具有最高的产率和部分石墨化结构,比表面积达1758.11m2/g。(2)在水热碳化过程中添加磷钨酸催化剂,研究磷钨酸对多孔碳材料的结构影响,结果表明磷钨酸催化剂的加入改变了碳材料表面官能团,同时明显提高了碳材料的比表面积,与同实验条件下未加入磷钨酸的碳材料相比,比表面积提高了 35%。(3)活化过程中,碳碱质量比对碳材料的比表面积和孔径有显著影响,实验结果表明在250℃水热过程中添加磷钨酸,后续活化时在碳碱质量比为1:3条件下制得的汉麻秆芯基多孔碳材料具有最高的比表面积,高达2310.11m2/g,优于其他碳碱比条件下制备碳材料的比表面积。(4)通过汉麻秆芯基多孔碳材料对亚甲基蓝的吸附实验,综合考察了吸附时碳材料投加量、亚甲基蓝初始浓度、吸附时间对吸附行为的影响规律,并使用等温吸附方程和吸附动力学模型对吸附结果进行拟合分析。实验结果表明汉麻秆芯基多孔碳对亚甲基蓝有极佳的吸附效果,样品最佳吸附量高达2424.2mg/g,高于目前绝大多数文献报道。吸附动力学过程更加符合准二级动力学方程,相关系数为0.99963。Langmuir等温吸附模型能很好地描述吸附量与亚甲基蓝初始浓度的关系,相关系数为0.99684,表明吸附过程为单分子层吸附。(5)将汉麻秆芯基多孔碳材料制成工作电极,在三电极体系中采用循环伏安法、恒电流充放电法和电化学阻抗三种方法对多孔碳材料的电化学性能进行测试,初步探究了碳材料比表面积和孔径结构对电化学性能的影响,结果表明孔径尺寸对比电容的影响程度大于比表面积。在250℃水热条件下添加磷钨酸制备得到的前躯体,后续在碳碱质量比为1:1时得到的汉麻秆芯基多孔碳材料具有最高的比电容,达346.4F/g,是一种电化学性能优异的电极材料。