發(fā)布時(shí)間：2019-11-11 00:07

【摘要】：能源是一種特殊的資源。地球上的能源資源按照能否再生可分為兩類(lèi):不可再生資源和可再生資源。目前在世界初級(jí)能源的產(chǎn)量和消費(fèi)中,居第一位的是石油,其次是煤炭、天然氣。隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源的儲(chǔ)量日益減少以及隨之而來(lái)的CO_2、NO_2、SO_2等有害氣體和溫室氣體的排放,全球面臨著能源與環(huán)保問(wèn)題的雙重加劇,這些問(wèn)題已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),因此,找尋新的替代能源對(duì)世界能源的發(fā)展具有重要的意義。當(dāng)今,普遍認(rèn)為利用可再生生物質(zhì)資源逐步替代石油類(lèi)化工產(chǎn)品可以有效地幫助解決環(huán)境問(wèn)題,建立一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。生物質(zhì)是一種廉價(jià)、易得、環(huán)保的可再生資源,它是可再生資源中唯一可利用的碳源,是制備高性能碳材料優(yōu)質(zhì)的前驅(qū)體,因此,以可再生資源生物質(zhì)為原料減少或替代不可再生資源化石燃料制備一系列高附加值碳質(zhì)材料是未來(lái)全球發(fā)展的方向。淀粉是生物質(zhì)資源中的一種,作為一種天然多糖類(lèi)化合物,具有價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、綠色環(huán)保、可以再生等特點(diǎn),淀粉及其衍生物廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、生物、化工、紡織、造紙、水處理等眾多行業(yè)。本文以玉米淀粉作為碳質(zhì)材料的前驅(qū)體,以H_3PO_4作為化學(xué)活化劑,通過(guò)不同合成方法制備多孔炭,并研究了其應(yīng)用性能,主要內(nèi)容為以下幾個(gè)方面:1.以玉米淀粉為原料,采用低溫常壓硫酸催化水解、原位縮聚水熱炭化法制備出水熱炭,水熱炭再采用H_3PO_4化學(xué)活化法制備出高性能的多孔炭,通過(guò)掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射儀、紅外光譜儀、元素分析儀、氮?dú)馕�附脫附測(cè)試、循環(huán)伏安測(cè)試和恒電流充放電測(cè)試等技術(shù),研究了活化條件對(duì)多孔炭形貌、微觀結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響,制備的多孔炭比表面積可達(dá)1188 m2 g~(-1),總孔容為1.40 cm3g~(-1),比電容為143.6 F g~(-1),能量密度為19.9 Wh kg~(-1),5000次充放電循環(huán)后仍保持初始比電容的99%以上,比電容損失不到1%。2.以玉米淀粉為原料,直接采用H_3PO_4化學(xué)活化法制備出高性能的多孔炭,通過(guò)掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射儀、紅外光譜儀、元素分析儀、氮?dú)馕�附脫附測(cè)試、循環(huán)伏安測(cè)試和恒電流充放電測(cè)試等技術(shù),研究了活化條件對(duì)多孔炭形貌、微觀結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響,得出最佳活化條件:活化溫度500℃,活化時(shí)間1 h,浸漬比例4:1(g/g),多孔炭的比表面積為1167 m2 g~(-1),總孔容為1.80 cm3 g~(-1),比電容為161.7 F g~(-1),能量密度為22.5 Wh kg~(-1),5000次充放電循環(huán)后比電容為152.7 F g~(-1),仍保持初始比電容的94%以上。3.對(duì)比不同合成方法制備多孔炭的結(jié)構(gòu)性能,玉米淀粉直接采用H_3PO_4化學(xué)活化制備出的多孔炭孔隙更發(fā)達(dá),因此選擇H_3PO_4直接活化法制備的最佳條件多孔炭為吸附劑,研究其對(duì)溶液中Cu~(2+)、Pb~(2+)和Cd~(2+)的吸附性能,并與市售商業(yè)活性炭進(jìn)行對(duì)比分析,探究了離子濃度、吸附時(shí)間、溶液p H、投炭量以及溫度對(duì)多孔炭吸附性能的影響,比較了多孔炭對(duì)三種重金屬離子的吸附容量,同時(shí)結(jié)合吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線(xiàn)模型的研究,得出自制淀粉基多孔炭相對(duì)于市售商業(yè)活性炭具有較好的吸附性能和較高的性?xún)r(jià)比,二者對(duì)重金屬離子吸附容量大小順序均為:Pb~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+),吸附行為均符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir吸附等溫線(xiàn)模型,均為單分子層化學(xué)吸附。本文以生物質(zhì)玉米淀粉為原料,以H_3PO_4為化學(xué)活化劑,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和系列的表征方法,研究了不同合成方法制備多孔炭的應(yīng)用性能。結(jié)果表明玉米淀粉基多孔炭具有良好的電化學(xué)性能和吸附性能,其較好的電化學(xué)性能可應(yīng)用在儲(chǔ)能領(lǐng)域,例如作為超級(jí)電容器電極材料,其較好的吸附性能可應(yīng)用在環(huán)保領(lǐng)域,例如作為吸附劑材料。淀粉基多孔炭的制備的研究成果,提出了H_3PO_4作為活化劑實(shí)現(xiàn)由淀粉制備多孔炭的新方法,為多孔炭在電極材料和吸附劑方面的應(yīng)用提供了新路線(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TQ424

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本文編號(hào)：2559094