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氮硫掺杂石墨烯的制备与活化过一硫酸盐降解阿托伐他汀

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氮硫掺杂石墨烯的制备与活化过一硫酸盐降解阿托伐他汀

作者：詹鑫南京大学

学位级别：硕士

原始石墨烯的零带隙特性会限制其催化活性。通过在石墨烯基体中引入杂原子,可以很好地调节石墨烯基材料的理化性质,显著提高其催化活性。近年来,在高级氧化反应中,用杂原子掺杂石墨烯作为催化剂,活化氧化剂过硫酸盐(PDS)和过一硫酸盐(PM... 详细信息

原始石墨烯的零带隙特性会限制其催化活性。通过在石墨烯基体中引入杂原子,可以很好地调节石墨烯基材料的理化性质,显著提高其催化活性。近年来,在高级氧化反应中,用杂原子掺杂石墨烯作为催化剂,活化氧化剂过硫酸盐(PDS)和过一硫酸盐(PMS),可以达到高效去除环境中难降解污染物的目的。然而,因制备掺杂石墨烯的过程不同,而导致合成的催化剂的物理化学结构产生差异,使其在活化PDS或PMS时,其活性位点以及反应的氧化路径仍存在争议。即使在相同体系中,其氧化机制也会有所不同。因此,对合成过程中杂原子与石墨烯基体之间的相互作用以及相应的催化氧化途径研究,显得尤为重要。本文系统地研究了在热退火处理过程中,温度与掺杂剂中N/S比例对合成的氮硫掺杂还原氧化石墨烯(NS-rGOs)结构的影响,以及NS-rGOs活化PMS降解一种降脂药物-阿托伐他汀(ATV)的催化活性与氧化机制。主要研究结论如下:(1)在不同温度下合成了系列催化剂NS-rGOs,并用于活化PMS降解ATV。在不同合成温度下,催化剂的比表面积(SSA)与孔体积与催化剂中的N/C比值呈现出相同的变化趋势,表明N的掺杂会显著影响石墨烯的物理结构。杂原子N和S在掺杂过程中,会相互竞争石墨烯晶格上的掺杂位点,在低温阶段主要发生S原子的掺杂。随着合成温度的升高,催化剂中的N/C比值会增加,而S/C比值则降低。预控温度处理能够有效促进GO还原,其还原程度与温度设定相关。合成的催化剂均为单一模态的介孔分布结构。当预控温度设定为450℃时,合成的催化剂NSG-450的I/I比值最大,催化活性最高,在p H=5,[ATV]=10μM,[PMS]=30μM,[NSG-450]=30 mg L,反应温度为25℃时,在60分钟内,ATV的去除率高达92%。催化剂在酸性条件下,对ATV的氧化降解展现出了优异的催化性能,且在p H为3～9范围内,维持较高的催化活性。随着溶液p H的升高,催化剂的活性逐渐降低。溶液的不同p H值会影响催化剂表面的相对电荷分布,以及PMS的存在形式,进而会通过影响催化剂与PMS之间的静电作用,从而影响氧化反应的进行。(2)研究了掺杂剂中N/S比例对合成的催化剂结构的影响,以及催化活化PMS的反应机理。一定程度增大掺杂剂中的N/S比例,可以获得具有更大SSA的催化材料,如催化剂NSG-0.5的SSA可高达151.77 m g,是NG的6倍。而当掺杂剂中N和S含量过多时,合成的催化剂NSG-2的SSA则会明显减小为96.63m g。更大的SSA会暴露出更多的活性位点,促进污染物的氧化降解。掺杂剂中S含量的增加,会使石墨烯晶格的结晶度增大,并且会显著提高材料的热稳定性。合成的催化剂与PMS相互作用产生O,以一种非自由基氧化途径高效降解水中ATV。其中,石墨化-N、噻吩-S、SSA和缺陷结构被提出作为该反应的活性位点。催化剂NSG-0.5在降解ATV中,展现出了优异的催化活性。在p H=5,[ATV]=10μM,[PMS]=30μM,[NSG-0.5]=30 mg L,反应温度为25℃时,在60分钟内,ATV的去除率高达98%;在催化剂的重复利用中,第三次时可维持一定的催化活性,ATV的去除率为84%。此外,NSG-0.5对氧化剂有强烈的选择性,对不同氧化剂的活化能力表现为:HO掺杂石墨烯的催化过程与其合成过程息息相关。在热退火处理中,合成温度对催化剂结构的影响程度低于掺杂剂中N/S比例调控对合成的催化剂的影响。掺杂过程中,N和S分别对石墨烯基体的SSA和缺陷结构的调控,发挥着至关重要的作用。制备的催化剂可以活化PMS,以O主导非自由基氧化途径降解水中ATV。将催化剂的合成过程与其降解过程相结合,深入阐述了不同催化剂的结构-效应关系。

关键词：氮硫掺杂石墨烯过一硫酸盐非自由基氧化高级氧化技术

氮硫掺杂碳基催化剂活化过硫酸盐降解氯酚类化合物的研究

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氮硫掺杂碳基催化剂活化过硫酸盐降解氯酚类化合物的研究

作者：杨成海广东工业大学

学位级别：硕士

基于活化过硫酸盐降解有机污染物的高级氧化技术不仅高效简便,并且由于未活化的过硫酸盐相对稳定,便于搬运和储藏,在工业发展中被大量运用。碳基相催化材料活化过流酸盐技术由于无二次污染危害、运行费用低、反应过程简单等优点,是当前... 详细信息

基于活化过硫酸盐降解有机污染物的高级氧化技术不仅高效简便,并且由于未活化的过硫酸盐相对稳定,便于搬运和储藏,在工业发展中被大量运用。碳基相催化材料活化过流酸盐技术由于无二次污染危害、运行费用低、反应过程简单等优点,是当前环境领域研究的热点。为进一步提升碳基相催化剂活化性能,在其表面适量引入非金属元素是关键。针对目前在掺杂过程中杂原子分布不均、元素流失、工序复杂等问题,本研究通过碳化聚吡咯聚噻吩混合物,获得原位掺杂氮硫的碳基相催化材料,并对所制备的催化剂进行活化效能及活化机理研究。通过不同的微观形貌结构表征手段,发现催化剂表面微观结构与官能团结构发生明显变化。在污染物初始浓度50 mg/L,催化剂用量0.1 g/L,PMS用量1 g/L,溶液初始p H为7.0条件下,体系可在30 min去除99%2,4-DCP并达到60%的矿化率,这说明以聚吡咯聚噻吩制备的氮硫掺杂碳基催化剂能有效活化过一硫酸盐。催化剂表面石墨化结构和活性氮硫官能团是影响其活化性能的关键,煅烧温度的提升有利于石墨化结构的形成,高氮低硫的掺杂比例会引入更多有效的活性氮硫官能团。通过淬灭实验和使用电子自旋共振捕获体系内自由基可发现单线态氧是该体系内主要的活性氧化物质。以单线态氧为主的非自由基氧化过程在宽广的p H范围和不同阴离子干扰背景下也仍具有较好的污染物降解能力。体系内的单线态氧可由PMS的过氧键经活化后断裂形成,也能通过超氧自由基与水分子重组形成。氮硫掺杂的协同作用增强了碳基催化剂表面的电子转移能力,污染物在催化剂表面失去的电子传递到PMS后促进其过氧键断裂从而发生活化。为了研究体系的降解适用范围,结合GC-MS技术进一步分析了非自由基氧化过程对其他不同取代基类型和数目的芳香类化合物降解能力及其降解途径。非自由氧化过程能选择性降解苯环电子密度高的污染物,苯环上具有推电子共轭效应的取代基有利于降解反应的发生。对降解不同氯取代基数目氯苯酚的中间产物进行研究,发现污染物在催化剂表面失去电子形成苯环自由基阳离子后,能快速脱氯去氢氧化形成氢醌类化合物,进一步氧化形成苯醌类化合物,最后被氧化开环矿化形成二氧化碳与水。随着氯取代基增加,羟基对位上的氯取代基脱落更快,而苯环上未脱落的氯取代基增多,形成了稳定的氯代中间产物,影响进一步的矿化。总而言之,体系更适合降解低氯取代的氯酚化合物。

关键词：氮硫掺杂过一硫酸盐单线态氧氯苯酚降解途径

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ZIF-9基氮硫掺杂的多孔碳制备及其表征

化工新型材料 2018年第7期46卷 205-208页

作者：韩亭亭毕博祁月刘莹莹长春师范大学化学学院长春130032 东北师范大学化学学院长春130024 吉林省兰舍硅藻新材料有限公司长春130000

以类沸石咪唑酯骨架结构材料Co(bIm)2(ZIF-9)为前躯体,在氮气氛围中进行700℃热解,得到了掺杂氮的多孔碳材料Co/C-700。利用原位掺杂,同时高温碳化ZIF-9和硫粉,在同样条件下合成氮-硫双掺杂的多孔碳材料CoS/C-700。对合成材料Co/C-700和... 详细信息

以类沸石咪唑酯骨架结构材料Co(bIm)2(ZIF-9)为前躯体,在氮气氛围中进行700℃热解,得到了掺杂氮的多孔碳材料Co/C-700。利用原位掺杂,同时高温碳化ZIF-9和硫粉,在同样条件下合成氮-硫双掺杂的多孔碳材料CoS/C-700。对合成材料Co/C-700和CoS/C-700进行了表征,显示了样品的成功合成。同时研究了Co/C-700和CoS/C-700作为修饰碳糊电极材料在碱性电解液中的电化学性质,Co/C-700和CoS/C-700具备良好的电化学可逆性,可作为电极材料。

关键词：类沸石咪唑酯骨架结构材料 ZIF-9 多孔碳材料氮硫掺杂

氮/硫掺杂氧化石墨烯的荧光性能及其检测应用

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氮/硫掺杂氧化石墨烯的荧光性能及其检测应用

作者：赵秀秀东北大学

学位级别：硕士

氧化石墨烯是石墨烯的氧化衍生物,其二维平面上含有大量的含氧活性基团,这些含氧基团使氧化石墨烯具有强烈的亲水性和良好的分散性,而且为其表面功能化提供了大量的活性位点,使氧化石墨烯在功能纳米材料制备、化学传感、生物检测等领域... 详细信息

氧化石墨烯是石墨烯的氧化衍生物,其二维平面上含有大量的含氧活性基团,这些含氧基团使氧化石墨烯具有强烈的亲水性和良好的分散性,而且为其表面功能化提供了大量的活性位点,使氧化石墨烯在功能纳米材料制备、化学传感、生物检测等领域表现出良好的应用潜力。本工作制备了氮/硫共掺杂的氧化石墨烯纳米片（N,S-GO）,并对其性能和检测应用进行了探索研究。以柠檬酸和L-半胱氨酸为前驱体,采用一步无溶剂法制备了片层状的氮/硫掺杂氧化石墨烯纳米片。在反应时间为120 min的条件下,所得到的N,S-GO产物尺寸处于100-1000 nm之间,厚度约为8 nm。氮/硫元素的掺杂使得N,S-GO呈现出良好的荧光行为,其最大激发/发射波长为340 nm/415 nm,绝对量子产率达到56.0%。同时N,S-GO的荧光性能在pH 5-12范围内、高离子强度及长时间光照条件下均保持稳定。银纳米颗粒（AgNPs）可吸附在N,S-GO的表面产生荧光猝灭,从而导致N,S-GO的荧光猝灭;而生物硫醇与AgNPs的强相互作用可将AgNPs从N,S-GO表面剥离,使其荧光得以恢复,据此构建了 N,S-GO/AgNPs体系用于生物硫醇的定量荧光检测。在最佳实验条件下,对生物硫醇分子半胱氨酸的线性检测范围为0.045-4.0 μmol L-1,检出限为11.8 nmol L-1,谷胱甘肽的线性范围为0.045-3.5 μmol L-1,检出限为7.3 nmol L-1,高半胱氨酸的线性范围为0.090-1.5 μmol L-1,检出限为4.9 nmol L-1。将构建的N,S-GO/AgNPs体系用于健康人血清样中硫醇含量的检测分析,测定结果处于人体血液中生物硫醇正常含量范围内。以半胱氨酸为生物硫醇代表进行加标回收实验,回收率在97.0%到102.0%之间,表明所构建的荧光检测方法具有较好的准确度。以AgNO3为原料,N,S-GO为还原剂制备了 AgNPs。N,S-GO表面的亲水性官能团使得到的AgNPs@N,S-GO复合物在水相分散良好并可长期保持稳定。基于Hg2+对AgNPs@N,S-GO复合物特征吸收峰（398 nm）的影响,建立了一种比色方法用于Hg2+的检测分析。对Hg2+的检测线性范围为0.1-3 μmol L-1,检出限为26.7 nmol L-1。将建立的比色检测过程用于自来水和湖水样品中Hg2+含量的分析检测,加标回收回收率分别在92.7%到109.0%之间和91.0%到108.5%之间,表明本方法具有一定的实用性。

关键词：氧化石墨烯纳米片氮硫掺杂银纳米粒子生物硫醇汞离子

掺杂氮、硫的石墨烯材料对磺胺类抗生素的吸附行为

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2021年第2期51卷 94-101页

作者：谈慧文杜佳媛魏永鹏刘霞赵建中国海洋大学环境科学与工程学院山东青岛266100 中节能工程技术研究院有限公司北京100000

水环境中抗生素污染日益严重。本研究制备了掺杂氮、硫的新型石墨烯材料(GO-NS),研究了其对磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)的吸附和去除能力,并阐明吸附机制。研究发现,GO-NS对SAs的最大吸附量达100.26 mg·g^-1,吸附能力优于多层石墨... 详细信息

水环境中抗生素污染日益严重。本研究制备了掺杂氮、硫的新型石墨烯材料(GO-NS),研究了其对磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)的吸附和去除能力,并阐明吸附机制。研究发现,GO-NS对SAs的最大吸附量达100.26 mg·g^-1,吸附能力优于多层石墨烯(Multilayer graphene,MG)和还原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)这两种传统石墨烯材料。疏水作用和氢键作用是GO-NS吸附SAs的主要机理。相比于MG和rGO,GO-NS适用的pH范围最广,在pH=2~10范围内均具有较强的吸附效果,并且离子强度和腐殖酸(Humicacid,HA)的加入提升了GO-NS的吸附性能。此外,GO-NS仅通过短时间超声可实现有效的剥离分散,使吸附量增加。故该新型石墨烯材料GO-NS具有优越地吸附SAs的能力和广泛的环境适应性,可作为治理水环境中SAs污染的一种有效吸附剂。

关键词：磺胺类抗生素石墨烯材料吸附改性氮硫掺杂

高比表面硫脲改性花生壳炭的制备及对四环素和铜的吸附

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环境科学 2023年第3期44卷 1528-1536页

作者：闵炳坤李坤权南京农业大学工学院南京210031

以硫脲和磷酸为改性剂,通过一步碳化制备了高活性氮硫共掺杂高比表面改性花生壳炭PBC-NS.探讨了改性花生壳炭PBC-NS吸附单一与混合体系中TC/Cu(Ⅱ)吸附特性,并研究了改性对TC/Cu(Ⅱ)吸附的增强作用及机制.结果表明,改性花生壳炭PBC-NS... 详细信息

以硫脲和磷酸为改性剂,通过一步碳化制备了高活性氮硫共掺杂高比表面改性花生壳炭PBC-NS.探讨了改性花生壳炭PBC-NS吸附单一与混合体系中TC/Cu(Ⅱ)吸附特性,并研究了改性对TC/Cu(Ⅱ)吸附的增强作用及机制.结果表明,改性花生壳炭PBC-NS成功引入了砒啶氮、石墨氮、C—S—C和—SH等氮硫官能团,且改性后比表面积高达1437 m^(2)·g^(-1),比改性前提升了2.6倍.改性花生壳炭PBC-NS对单一体系TC和Cu(Ⅱ)的最大吸附量分别为585mg·g^(-1)和21.2mg·g^(-1),较改性前提升2.6倍和2.7倍;且PBC-NS对混合体系中的TC和Cu(Ⅱ)的饱和吸附量较单一体系提升13mg·g^(-1)和6.8mg·g^(-1).PBC-NS在4次重复使用后对TC和Cu(Ⅱ)的吸附容量仍能达到初始吸附量的66%和70%.等温拟合与现代光谱分析表明,改性使PBC-NS对TC/Cu(Ⅱ)吸附量的大幅提高主要归因于氮硫活性官能位的化学络合和高比表面引起的孔填充共同作用.结果表明硫脲/磷酸化学改性能有效提升花生壳炭对TC/Cu(Ⅱ)的吸附性能,可为混合污染高吸附性能生物炭结构调控和TC/Cu(Ⅱ)水污染吸附处理提供新思路.

关键词：氮硫掺杂高比表面混合吸附养殖废水增强作用

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石墨烯基催化剂的电化学合成氨性能的研究

石墨烯基催化剂的电化学合成氨性能的研究

作者：卜梦珂三峡大学

学位级别：硕士

氨是化肥生产的重要原料也是未来可再生能源的理想载体。传统的哈伯法合成氨耗能多，对环境污染严重，相对比下电化学合成氨在温和的环境下，利用可再生资源即可进行反应的优点十分绿色经济，符合“绿水青山就是金山银山”这一发展理念... 详细信息

氨是化肥生产的重要原料也是未来可再生能源的理想载体。传统的哈伯法合成氨耗能多，对环境污染严重，相对比下电化学合成氨在温和的环境下，利用可再生资源即可进行反应的优点十分绿色经济，符合“绿水青山就是金山银山”这一发展理念。但是目前电化学合成氨存在的问题是由于氮气的溶解度低，氮氮键的断裂困难，副反应析氢的竞争导致了合成氨性能低。因此找到合成简便环保，对氮还原选择性高的催化剂成为了该领域的研究热点。本文设计并合成了N，S掺杂的缺陷石墨烯负载单原子铁和还原氧化石墨烯掺杂氧化钒两种催化剂并对催化剂进行了氮还原的测试。　　本文成功合成了高比表面积的N，S掺杂的缺陷石墨烯负载单原子铁材料，并确定了其结构为Fe-N3S-C,在-0.4V(V vs.RHE)的电压下，氨产率达到最高为28.89μg·h-1·mgcat-1(3.78·10-10mol·cm-2·s-1),，法拉第效率在-0.1V(V vs.RHE)的电压下下最高为23.7%,通过4次的循环性能测试和20h的耐久性能测试，证明了N,S掺杂的缺陷石墨烯负载单原子铁催化剂可以循环使用并且十分稳定。通过密度函数理论（DFT）计算可以得出酶促机制是N,S掺杂的缺陷石墨烯负载单原子铁这一催化剂的反应机制，Fe原子是催化剂的活性位点，S的引入可以促进氮还原。　　本文成功合成了还原氧化石墨烯复合氧化钒，并确定了其物相结构为rGO@V2O4·2H2O，氨产率在-0.3V(V vs.RHE)下最高为24.75μg·h-1·mgcat-1(1.6·10-10mol·cm-2·s-1)，法拉第效率在-0.2V(V vs.RHE)下最高为79%，并在4次的循环测试和13h的耐久性测试可以看出材料稳定性良好，通过与石墨烯和氧化钒氮还原性能与双层电容的对比，发现石墨烯复合氧化钒的性能优越的原因可能是因为其电化学活性面积大。

关键词：石墨烯基催化剂氮硫掺杂合成氨反应催化性能

生物质源多孔碳电极的制备及其电化学性能研究

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生物质源多孔碳电极的制备及其电化学性能研究

作者：贾金柱广东工业大学

学位级别：硕士

锂硫电池因具有超高的理论比容量(1675 mAh·g)、高比能量(2600 mAh·g)、价格低廉、环境友好等优点,是目前最具开发潜能的高能量二次电池。然而锂硫电池的产业化面临着诸多问题,如硫基反应产物的电子绝缘性、充放电过程中的体积膨胀以... 详细信息

锂硫电池因具有超高的理论比容量(1675 mAh·g)、高比能量(2600 mAh·g)、价格低廉、环境友好等优点,是目前最具开发潜能的高能量二次电池。然而锂硫电池的产业化面临着诸多问题,如硫基反应产物的电子绝缘性、充放电过程中的体积膨胀以及穿梭效应等。为了解决这些问题,设计新型的正极材料成为提高电池性能的一种重要手段。生物质多孔碳材料具备良好的导电性、比表面积大、丰富的孔道结构等特点,将硫与多孔碳材料复合可有效的提升锂硫电池的电化学性能,成为优异的锂硫电池复合正极材料。因此本文尝试使用从垃圾渗滤液处理中获得的活性污泥作为生物碳前驱体,通过简单的化学法制备了生物质衍生多孔碳,负载活性硫后作为锂硫电池正极材料并研究储能性能。具体内容如下:1、以活性污泥为碳源,氢氧化钠为活化剂,通过一步碳化和二次高温退火活化分别制备两种生物质多孔碳(C和C1),制备的生物质多孔碳C具有624.13 mg的比表面积和0.082 cmg的孔容量。C1的比表面积为780.24 mg,孔体积为0.231cmg。C/S电极优于C1/S电极,当硫负载量为70%时,C/S在0.1 C下放电比容量高达1150 m Ah·g,0.2 C下初始放电比容量为837 m Ah·g,且循环200圈后仍具有589 m Ah·g的放电比容量,展现出较为优异的倍率性能和循环性能。当面载量密度升高至5.60 mg cm高载量下,0.05 C下初始放电比容量为645 m Ah·g,循环200圈具有317.19 m Ah·g,材料表现出超强的固硫能力,库伦效率维持在99%左右。2、以活性污泥为碳源,磷酸为磷源,二次高温活化,制备出不同含量磷掺杂多孔生物碳材料,用作硫正极。研究不同磷酸添加量(1 m L/3 m L/6 m L)对多孔碳材料结构和性能的影响。结果表明,3 m L磷酸处理后的多孔碳材料3-HP-C材料具有较大的比表面积(891.93 mg)和孔体积为(0.871 cmg)。电化学测试表明:载硫密度为0.51 mg cm时,在0.1 C的电流密度下,达到1310 m Ah·g的初始放电比容量,0.2 C初始放电比容量为1204.84 m Ah·g,经循环200次后,电池的放电比容量仍保持696.99 m Ah·g。5.44 mg cm高面载量下,0.05 C倍率下放电比容量高达1236.40m Ah·g,是理论比容量的73.81%,实现了高载硫密度下的高容量。实验结果表明,磷元素掺杂多孔碳材料,对电池的整体性能有着明显的提高。3、以活性污泥为碳源,调节硫脲(CHNS)的不同比例(0.3 g/0.9 g/1.5 g),二次高温焙烧,制备出不同比例氮硫共掺杂生物质衍生碳。用作硫正极,测试研究其电化学性能。对比发现硫脲比例为0.9 g下复合材料(2-NS-C/S)的I/I为1.37,石墨化程度最高,具有较大比表面积孔(517.07 mg)和孔体积为(0.634 cmg)。电化学测试表明,含硫量为70%左右时,低面载量下,2-NS-C/S复合正极材料,0.1 C的初始放电比容量为1584.52 m Ah·g,占理论比容量的94.59%,表现出低倍率下的高容量。硫脲比例为0.3 g下的复合材料(1-NS-C/S),0.2 C下循环200圈后放电比容量从965.43 m Ah·g衰减到660.67 m Ah·g,每圈的衰减率仅为0.090%,展示出良好的循环稳定性。结果表明,N、S双原子掺杂有利于提升多孔碳材料的电化学性能。

关键词：锂硫电池生物质活性污泥磷掺杂氮硫掺杂

锂离子电池汉麻秸秆基碳材料的制备及增材制造研究

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锂离子电池汉麻秸秆基碳材料的制备及增材制造研究

作者：吴凯敏吉林大学

学位级别：硕士

为满足未来日益增长的能源需求,迫切需要开发具有更加优越性能的锂离子电池,其中电极材料是影响电池性能的关键因素。为克服传统的石墨负极比容量低、循环稳定性差的缺点,以生物质多孔碳为代表的负极材料,因具有比容量高、来源广泛等诸... 详细信息

为满足未来日益增长的能源需求,迫切需要开发具有更加优越性能的锂离子电池,其中电极材料是影响电池性能的关键因素。为克服传统的石墨负极比容量低、循环稳定性差的缺点,以生物质多孔碳为代表的负极材料,因具有比容量高、来源广泛等诸多优点,成为学术界研究的热点,但生物质碳材料的使用仍难以克服传统平板电极能量密度与功率密度不可兼得的问题。因此,本文将气动增材制造技术与生物质多孔碳负极材料的制备掺杂相结合,构造具有特殊结构的多孔碳电极,以克服传统平板电极的缺陷,进一步提升锂离子电池的电化学性能。以汉麻秸秆为生物质,氯化锌为活化剂制备多孔碳材料,分别探究不同活化比、活化温度对多孔碳材料性能的影响。当活化比为1:5,活化温度为600℃时,多孔碳具有822.78 mg的比表面积,平均孔径达4.97 nm,具有最佳的电化学性能,在0.2C倍率下循环100圈后容量达到768.11 m Ah g。利用多孔碳材料配置不同固液比的电池浆料,通过流变性测试得到剪切速率-表观粘度曲线,经过拟合计算可知Bird-Carreau模型最能准确地描述电池浆料的流变特性;在polyflow中设置相应的材料模型参数与边界条件进行流体模拟仿真,探究挤出压力、挤出口径以及挤出头类型对挤出头内部流场的影响,结合预实验结果为后续实验提供参考。利用气动增材制造系统构造电极,通过单因素实验确定工艺参数,构造不同层数的打印电极。电化学测试结果表明,相对于质量接近的传统涂覆电极,0.4mm间距单层打印薄电极具有更好的电化学性能,在2C倍率下循环200圈后比容量达到607.3 m Ah g;以0.6 mm间距打印多层电极,随着层数的增加,电池的面积比容量显著上升,在0.2C倍率下6层打印电极面积容量达到1.43 m Ah cm,相对于质量接近的大质量负荷涂覆电极有着更高的功率密度。为进一步提升电极的电化学性能,以硫脲作为氮、硫源,采用浸渍法制备了氮、硫双掺杂多孔碳材料,设置掺杂比为1:4,探究不同掺杂温度对材料性能的影响。当掺杂温度为700℃时,材料比表面积达1242.81 m g,孔径达5.77 nm,在1C倍率下循环100圈后比容量达到764.2 m Ah g;利用掺杂材料打印的电极相对于未掺杂电极比容量有明显的提升,但6层打印电极的循环稳定性有所降低。增材制造技术构造的高比表面积结构,与生物质碳材料特有的多孔结构及掺杂元素的协同效应相结合,有效提升了电池的性能,为生物质碳材料在高能量、高功率密度场合下的应用提供更多的可能。

关键词：锂离子电池汉麻秸秆多孔碳材料增材制造氮硫掺杂