生物质基碳及碳硅复合材料的制备及其催化和储能性质研究

作     者：何慧慧 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨晓敏

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 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：生物质基碳材料 Pickering乳液催化 高氮掺杂 无金属碳催化剂 超级电容器 

摘      要：随着经济社会的快速发展,能源与环境问题受到了世界范围内的广泛关注。稻壳生物质是一种分布广泛,易于回收的低成本可再生碳源,其合理利用不仅可以避免焚烧带来的环境问题,还能提供巨大的经济效益。因此,由稻壳制备的多功能碳材料具有广泛的应用前景。本论文以稻壳为原料制备多种稻壳基碳及碳硅复合材料,并分别测试了材料的催化和储能性能。主要研究内容如下:1.利用可再生方法制备表面润湿性可调的非均相结构对两相界面催化具有重要的研究意义。本工作以生物质废弃稻壳为原料,采用简单的原位自组装方法制备了碳包覆二氧化硅核壳微球(Si O@C)。通过调节自组装过程中的滴定终点,即调节C与Si O的质量比,可以容易地调节Si O@C的润湿性。制备的Si O@C负载的Ru催化剂(Ru/Si O@C)可用于Pickering乳液和水相系统中的香草醛加氢脱氧反应。对于水-油双相反应,催化剂的润湿性对Pickering乳液的形成起着关键作用,所制备的Ru/Si O@C-A催化剂具有两亲性,在W/O和O/W的Pickering乳状液中都具有优异的催化活性和4-甲基愈创木酚选择性(99%)。对于水相反应,催化剂的亲水性越高,对香草醛的加氢脱氧活性就越高。同时,催化剂具有良好的可回收性。2.随着能源和环境问题的日益关注,生物质高效转化为液体燃料和功能材料具有重要意义。在这项工作中,我们对低成本和可持续的生物质废弃稻壳进行了热化学转化,以制备高氮掺杂生物炭(CN)。由于氮含量丰富,钯纳米粒子可以均匀分散在具有天然网络结构的生物炭骨架表面,形成一种高活性、选择性、稳定且可回收的Pd/CN催化剂,用于在温和条件下(0.8 MPa,80°C,1 h)将香草醛加氢脱氧为4-甲基愈创木酚。TOF值达到974 h。催化剂具有良好的循环稳定性,三次循环后对4-甲基愈创木酚的选择性仅降低6.2%。提出了Pickering乳液中香草醛在Pd/CN上加氢脱氧的可能反应途径。3.我们报道了一种源自稻壳生物质的分级多孔碳网络,并将其应用扩展到超级电容器和高效OER电催化剂。在碳骨架中均匀掺入氮原子可以为OER反应提供更多的活性位点,提高碳材料的导电性和润湿性并产生赝电容,从而提高电极的双电层电容。在800 C下制备的氮掺杂多孔碳(RCN-800)在10 m A cm下表现出334 m V的低OER过电位(相对于可逆氢电极)和小的Tafel斜率(80.4m V dec)。此外,RHPCN还表现出优异的电容性能,在0.5 A g的电流密度下,比电容为203 F g。所制备的超级电容器具有良好的循环稳定性,20000次循环后电容保持率约为100%。