水热碳化法的研究进展_黄维

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1、水热碳化法的研究进展／黄维等·１３１·水热碳化法的研究进展＊黄维，范同祥（上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室，上海２００２４０）摘要水热碳化法是一种简单、高效、绿色的产碳途径，在开发新型碳材料和碳基复合材料，及扩大这些材料的应用领域方面具有广阔的发展前景。介绍了水热碳化法的反应机理和特点，对其在一些重要领域的应用情况进行了综述，分析了水热碳化法存在的问题，并展望了其发展前景及未来研究方向。关键词水热碳化含氧基团表面修饰元素掺杂中图分类号：ＴＢ３０２．２文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒ

2、ｅｓｓｏｆＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌＣａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄＨＵＡＮＧＷｅｉ，ＦＡＮＴｏｎｇｘｉａｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｔａｌＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０）ＡｂｓｔｒａｃｔＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓａｓｉｍｐｌｅ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｇｒｅｅｎｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｏｄｕｃｅｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｔｎｏｔｏｎｌｙｈａｓｂｒｏａｄｐ

3、ｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｎｅｗｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｃａｒｂｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｅｘｐａｎｄｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｕｂ－ｓｅｑｕｅｎｔｌｙｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｓｏｍｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｉｅｌｄｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈ

4、ｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｃａｒ－ｂｏｎｉｚａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｏｘｙｇｅｎ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｇｒｏｕｐｓ，ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｅｌｅｍｅｎｔｄｏｐｉｎｇ［１０］首次通过该方法制得均匀的碳球，并指２００１年，Ｗａｎｇ等０引言出该碳球具有优良的储能性能，水热碳化法才再度引

5、起了研碳是自然界分布最丰富、最重要的元素之一，具有良好究者的关注，且其在不同领域的应用也逐渐成为了研究热的化学稳定性和热稳定性及较好的导电导热性，故以碳为主点。本文将以此为背景，对水热碳化反应机理、反应特点、应体的新型功能材料已在催化［１］、吸附［２］、能量存储［３］等领域广用概况，及其面临的挑战和发展前景进行综述。泛应用。基于碳材料优良的性能，寻求高产碳率、低成本的１反应机理制备方法一直是研究热点。目前，碳材料的制备方法主要有化学气相沉积法［４］、模板法［５］、电弧放电法［６］、高温热解法［７］

6、、水热碳化反应是一个典型的放热过程，其主要通过脱水水热碳化法［８］等。其中，水热碳化法操作简单，反应条件温和脱羧反应来降低原料中Ｏ、Ｈ的含量，但其具体反应过程和，以生物质为原材料，水为反应媒介，是一种优于其他工艺非常复杂，其间会发生一系列副反应，再加上水热反应是在的绿色、可持续的产碳途径，且其较好地适应了高产碳率、低密闭体系中进行，故目前难以实现对该化学过程的精确检测成本这一发展需求，故是未来制备新型碳材料的理想方法。和控制，对其机理也尚需做更进一步的研究。水热碳化是指在一个密闭的体系中，以碳水化

7、合物或木目前，Ｓｅｖｉｌｌａ等提出的水热反应机理被大多数研究者所质纤维素为原料，以水为反应媒介，在一定的温度（１３０～２５０接受，认为水热过程主要分为以下几个阶段：（１）前驱体水解℃）及自产生的压力下，原料经过一系列复杂反应而转化成成单体，体系ｐＨ值下降；（２）单体脱水并诱发聚合反应；（３）碳材料的过程。其研究可追溯至２０世纪，１９１３年Ｂｅｒｇｉｕｓ就芳构化反应导致最终产物的形成。以纤维素为例，当温度高运用该技术在２５０～３１０℃碳化处理纤维素，对自然界煤的于２２０℃时，水自电离产生的水合氢离子

8、将催化纤维素水解形成机理进行了研究。１９６０年Ｓｃｈｕｈｍａｃｈｅｒ等［９］指出ｐＨ而产生低聚物（如纤维二糖、纤维三糖、纤维五糖等）和葡萄值对水热分解过程影响显著。水热碳化法虽然已有上百年糖。其中葡萄糖通过异构化反应转变成果糖，果糖分解产生发展历史，但其研究目的却一直停留在通过该方法制备特定有机酸，且这些酸产生的自由氢离子将对后续反应起催化作的液态和气态产物上，固相常被视为副产物而摈弃。直到用。初始阶段产生的低聚物则水解成不同单体，单体再通过＊国家自然科学基金（５１１７２１４１）；