高附加值水生植物基多孔炭材料的制备表征及其性能研究

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1、学校代码10530学号201510151558分类号TB34密级公开硕士学位论文高附加值水生植物基多孔炭材料的制备表征及其性能研究学位申请人田忠卫指导教师蔡进军学院名称化工学院学科专业化学工程与技术研究方向新型多孔炭材料二○一八年四月二十四日HighlyValue-addedPorousCarbonMaterialsDerivedfromAquaticPlants:Preparation,Characterization,andPerformanceCandidate:ZhongweiTianSupe

2、rvisor:JinjunCaiCollege:CollegeofChemicalEngineeringProgram:ChemicalEngineeringandTechnologySpecialization:PorousCarbonMaterialDegree:Master’sdergreeofEngineeringUniversity:XiangtanUniversityDate:April24,2018湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得

3、的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编

4、本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日湘潭大学2018届硕士学位论文摘要生物质废弃物资源化利用一直以来都是环境化工领域的热门话题。生物质作为大自然中的可再生资源，具有来源广泛和绿色环保的优点，将富碳型生物质作为碳源制备多孔炭材料可以很好地满足工业化生产需求。与陆地生物质相比，水生植物受天气等自然因素的影响较小，而且不用占据稀缺的陆地资源，特别是生长环境使得多数水生植物本身已有丰富的孔隙结构支撑其呼吸作用，在制备高性能多孔炭材料方面具有明显的优势。本文以海藻浒苔

5、和莲杆两种水生植物基生物质为碳前驱物制备了具有不同微结构和表面化学特性的多孔炭材料，并详细研究了其在二氧化碳吸附和电化学储能方面的应用。主要内容介绍如下：首先，我们用海藻-浒苔作为碳源，采用冷冻干燥保持其本身固有特性，直接一步碳化制备了富含氮-氧共掺杂的层次孔炭材料。测试结果表明这种层次孔2炭材料的比表面积约450m/g，氧氮掺杂量分别为11.5和4.4at.%，同时介孔体积高达70%。二氧化碳吸附结果表明常温20bar的吸附量为5.41mmol/g。电化学测试结果表明0.5A/g时6MKOH溶液中的

6、比电容高达234F/g，循环2000次后保持95%初始电容量。在此基础上，我们将浒苔在不同温度下用KOH活化处2理得到比表面积高达3345m/g、氧氮含量分别为10.83和3.48at.%的层次孔炭材料，表现出优异的二氧化碳吸附和电化学储能特性。二氧化碳吸附结果表明常温常压下的吸附量高达3.85mmol/g，20bar时的吸附量高达25.26mmol/g。电化学测试结果表明1A/g时6MKOH溶液中的比电容高达220F/g，循环5000次后仍保持87%初始电容量。其次，我们将海藻浒苔置于密封容器内，采

7、用水热碳化法制备了浒苔基水热炭前驱物，通过简单控制活化温度制备了富含微球形貌的氮掺杂微孔炭材料。测2试结果表明这类微孔炭微球的比表面积高达1979m/g，同时氮含量为4.3at.%，表现出优异的二氧化碳吸附和电化学储能特性。二氧化碳吸附结果表明常温常下下的吸附量高达3.87mmol/g,吸附热高达28kJ/mol。电化学测试结果表明1A/g时6MKOH溶液中的比电容高达200F/g，但其在高电流密度10A/g时表现出优异的循环稳定性，循环10000次后仍保持96%初始电容量。第三，为了研究氮掺杂对多孔

8、炭材料性能的影响，我们对浒苔基水热炭用KOH活化过程中通过添加二次氮源来增加含氮量，制备了一种比表面积为10982m/g、氮掺杂浓度高达15.5at.%的微孔炭材料。二氧化碳吸附结果表明常压0和25˚C时的吸附量分别为3.06和1.86mmol/g，高浓度氮元素的存在使得二氧化碳吸附热高达40kJ/mol。氧还原测试结果表明0.1MKOH溶液中1600转速时的电2流密度约4.1mA/cm，对甲醇表现出优异的稳定性，循环20000s后电流密度保I湘潭大学2