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利用生物质资源制备长碳管,看这一篇足矣!

时间:2022-10-19 来源: 浏览:

利用生物质资源制备长碳管,看这一篇足矣!

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收录于合集 #生物质高值化利用 101个

01

研究背景

    生物质 属于 可再生资源 。 数据显示, 全球范围内年均产出的过剩 生物质产量 高 达百亿吨。优化生物质 资源 的利用 ,探寻生物质的无害化处理方法,是生物质领域面临的重大挑战。在已有的生物质处理方案中,将廉价丰富的 生物质 资源 转化为 高附加值 碳纳米材料 , 是 当前 的 主流方向 。

然而 ,大多数 生物质 转化过程 相对 复杂, 操作 条件 比较 苛刻,转化机理不 够清晰 ,合成过程 难以调控 。 并且 , 常规手段合成的 碳 产品 产量通常有限。因 而 ,亟需开发一种 简单 、易行、可控 的方法 实现 廉价 生物质 向高附加值 碳材料的 大规模宏量转化 。

02

文章概述

    近日, 湖南大学 和 湖南理工学院 联合报道了一种简单的机械碾磨辅助热解法,成功 将生物质大规模转化为三维碳纳米管/介孔碳复合物(3D CNTs/MC hybrid) 。当将所制得的三维碳纳米管/介孔碳复合物应用于 锂离子电池负极 和 锌空电池正极领域 ,其表现出非常优异的 电化学性能 。

目前这一成果以题为“Direct pyrolysis to convert biomass to versatile 3D carbon nanotubes/mesoporous carbon architecture: conversion mechanism and electrochemical performance ”发表在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》期刊上。

湖南大学徐晨曦博士 为该论文第一作者, 湖南大学周海晖教授 和 湖南理工学院陈梁副教授 为该论文的通讯作者。

03

图文导读

    该工作主要采用 控制变量法分别调控 反应 前驱体( 包括 生物质、过渡金属盐和三聚氰胺)的 种类、 前驱体的 含量、 热解温度等 诸多工艺参数 , 并系统 探究了 生物质 转化过程中各 个工艺参数 对 最终 产物形成 的 影响 规律 。

图1 . 三维碳纳米管/介孔碳复合物的合成示意图及其形貌表征结果

生物质前驱体的影响分析

图 2 .  分别以壳聚糖 (a) ,   葡萄糖 (b) 和蔗糖 (c) 为 生物质 前驱体以及不添加 任何 生物质 前驱体 (d) 条件下 制得 的 产物的 扫描 电镜图

过 渡金属盐的影响分析

图3. 不添加过渡金属盐(a), 添加少量过渡金属盐(b)和添 加过量过渡金属盐(c)条件下制得的产物的扫描电镜图

三聚氰胺的影响分析

图4. 不添加三聚氰胺(a), 添加少量三聚氰胺(b)和过量三聚氰胺(c)条件下制得的产物的扫描电镜图

热解温度的影响分析

图5. 热解温度为600 ℃ (a), 700 ℃ (b)和900 ℃ (c) 条件下制得的产物的扫描电镜图

     经过系列对比分析发现,三种反应前驱体组分的存在及其剂量的精确调控成为生物质转化为碳纳米材料的关键。 相应的转化机理如下: 在热解过程中,生物质受热分解释放出有机小分子挥发物,这些有机小分子挥发物成为碳纳米管生长的主要碳源; 同时,部分生物质在高温下热解、浓缩并交联成多孔碳; 三聚氰胺则会分解为还原性气体(氨气),协助金属催化剂通过“顶端生长”模式催化生长碳纳米管。

图 6 .  三维碳纳米管 / 介孔碳复合物 的生长 机理 图及相关 电化学性能 结果

     基于碳纳米管和介孔碳协同构建的独特三维结构,所获得的三维碳纳米管/介孔碳复合物在锂离子电池(LIBs)和锌空气电池(ZABs)领域展现出优异的电化学性能。 将其用作LIBs负极时,在0.5 A g–1电流密度下,经800次循环,仍能表现出较高的放电比容量(893 mA g–1)。 同时,将其用作锌空电池正极催化剂时,在5 mA cm-2电流密度下,锌空电池的比容量高达734 mAh gZn–1; 在0.218 A cm–2电流密度下,电池的峰值功率密度高达135.8 mW cm–2,远超商业化Pt/C催化剂。

04

结论

    本 工作 通过简单 的机械碾磨辅助热解法,并基于精心选择和调控反应前驱体的类别和用量,成功将廉价生物质转化为 三维碳纳米管 / 介孔碳 复合物,所制得 的碳基纳米产物具有多功能用途, 在 锂离子电池和锌空气电池领域表现出不错的 应用 前景 。 很 显然,该研究结果为生物质转化 向 高附加值碳 基 纳米材料 大规模宏量转化 提供了 良好 的指导。

原文链接

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-022-2266-8.

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