环三磷腈掺杂木质纤维素介孔碳的制备及其应用性能研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luxinyiu
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生物质由于可再生、分布广泛、价格低廉、含碳量较高、环境友好等优点被研究者广泛作为前驱体合成介孔碳材料。因其具有较大的孔径尺寸、相互连通的孔径结构,且可再生性在电化学与吸附方面得到广泛应用,但是因其的高表面惰性,亲水性差阻碍了它们的进一步拓展,因此本文以木质纤维素为碳源,六对羧基苯氧基环三磷腈为氮磷掺杂剂及活化剂,采用两种不同的化学活化方法制备出两种不同的环三磷腈掺杂型生物质介孔碳材料,探究其在电化学、吸附领域的实际应用性能。具体探究内容如下:(1)木质纤维素作为碳源、六对羧基苯氧基环三磷腈(HCPCP)为氮磷同源掺杂剂,同时与Na OH共同作活化剂,采用先碳化后活化的方法制备了不同结构的生物质介孔碳材料,通过SEM、XRD、拉曼光谱、N2吸脱附等方式系统研究了生物质介孔碳材料表面形貌、晶体结构、比表面积及孔径结构。采用循环伏安、恒电流充放电以及交流阻抗测试探究生物质介孔碳电极材料的电化学性能,将其分别组装成双电层电容器和锌离子混合电容器,考察生物质介孔碳在电化学器件中的实际应用性能。结果表明,活化温度为650℃时得到的样品HCPNa Ac-650具有丰富的网状孔隙,比表面积为988.4 m~2/g、总孔体积为1.281 cm~3/g,介孔体积为1.142 cm~3/g,介孔体积比高达89%,氮、磷、氧杂原子含量总和高达10.94%。在三电极体系下,6M KOH的电解质溶液中,当电流密度为0.5 A/g时,具有308.7 F/g的比电容。在2M Na2SO4作为电解质并组装成双电层电容器后,在电流密度0.5 A/g,具有124.3 F/g的比电容,13.95 Wh/kg的能量密度,以及456.5W/kg的功率密度。在2M Zn SO4作为电解质时组装成锌离子混合电容器时,当电流密度0.2 A/g时,具有194.2 F/g的比电容,87.30 Wh/kg的能量密度以及179.5 W/kg功率密度,表现良好的电化学性能。(2)以木质纤维素作为碳源、六对羧基苯氧基环三磷腈(HCPCP)为氮磷同源掺杂剂,与Zn Cl2共同作为活化剂,采用一步活化法在不同温度下制备不同结构的生物质介孔碳材料,其中800℃温度下活化得到的HCPZn Ac-800具有相互连通的孔隙结构,比表面积为1230 m~2/g、平均孔尺寸为8.64 nm、总孔体积2.661 cm~3/g、介孔体积2.593cm~3/g、介孔体积比高达97%。在KOH作为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5A/g时,比电容为375.7 F/g,电流密度放大40倍后倍率性能为77.3%。在2 M Na2SO4作为电解质并组装成双电层电容器后,在电流密度0.5 A/g,具有208.9 F/g的比电容,23.41 Wh/kg的能量密度,以及501.3 W/kg的功率密度。在2M Zn SO4作为电解质时组装成锌离子混合电容器时,在0.5 A/g电流密度下比电容为168.3 F/g,能量密度为75.62Wh/kg,功率密度为453.6 W/kg。在10 A/g电流密度下充放电5000次,电容保持率99.15%。(3)选用HCPNa Ac-550、HCPNa Ac-600、HCPNa Ac-650、HCPNa Ac-700四种类型生物质介孔碳,系统研究其对水中亚甲基蓝的吸附性能。研究表明,在吸附温度30℃时,p H为12时,达到最大饱和吸附量280.13 mg/g。吸附动力学试验中,准一级动力学和更适合描述生物质碳的吸附过程,证明了生物质介孔碳的吸附行为更接近物理吸附。吸附热力学试验中,Langmuir模型更适合描述亚甲基蓝在生物质介孔碳材料的吸附热力学过程,证明了生物质介孔碳的在吸附过程中更接近单分子层吸附。综上所述生物质介孔碳在吸附去除有机污染物方面表现出优异的吸附性能,可以作为一种有效的吸附剂应用于水处理领域。
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