生物质超高比表面积掺氮炭材料的加压渗氮法制备及性能研究

Porous carbon with high specific surface area, high nitrogen content and appropriate porosity will be prepared by using biomass source hemp (Cannabissativa L.) stem as carbon precursor, which has a well-defined honeycomb structure. The nitrogen element is introduced to the carbon matrix through a novel process called high temperature pressing nitriding by using ammonia, acetonitrile, melamine, aniline as nitrogen source. The preparation conditions of the N-doped biomass carbon will be optimized, and the control of surface area, pore structure, nitrogen content and species of N-containing groups will be carried out in combination with the adsorptive property and electrochemistry performance. The detailed theoretical correlation between the structure of N-doped porous carbon with high specific surface area and the application performance will be searched to provide a basis of the application of this biomass carbon for gas adsorption, separation, electrode material of supercapacitor and cell systems.

本课题拟以植物大麻杆基生物质为研究主体，利用其天然的蜂窝规整结构，采用氨气、乙腈、三聚氰胺、苯胺为氮源，经高温加压渗氮、KOH和CO2活化工艺制备高比表面积高掺氮量孔径适宜的的生物质多孔炭材料。研究生物质炭材料规整结构高温加压渗氮制备方法，探索其比表面积、孔径及孔容织构特性、高渗氮量及氮基团的结构特性及其调控的有效途径，并与吸附性能和电化学性能结合起来，形成高比表面积高氮量生物质基多孔炭材料结构特性与性能调控的理论体系，为规整结构生物质基多孔炭材料性能的有效发挥和气体吸附与分离、双电层电容器及电池电极体系材料的研究与开发提供理论依据。

自然界木本植物和动物蛋白资源非常丰富，是炭充足的提供者，以生物质出发制备储能材料和化学品已成为人们的首选。发展性能优越、织构发达的3D分级多孔炭，应用于离子电池、超级电容器和电催化剂已成为国际研究热点。针对蕴涵的科学问题，本课题着重开展了生物质基分级多孔炭体系的构建、制备、吸附、电池电极及其电化学机理的研究。优选植物基大麻茎杆、丝瓜络、木棉和玉米秸秆酯解木质素以及蛋白基毛发、猪皮、银耳和明胶等生物质源为研究对象，详细研究生物质原生态结构及其炭材料掺氮与规整结构的制备关系，揭示其比表面积、分级多孔织构形貌、表面形态和吸附与电化学性能的协调性，认清生态结构与微观微孔―介孔复合结构和其中的化学反应(电化学反应)-扩散耦合行为及对吸附和电化学性能的作用机理。基于上述思路，针对生物质特有的化学组成及原始生态结构，提出分级多孔炭的六种制备方法：① 高温加压氨气-KOH碳化活化一步制备掺氮多孔炭；② 半纤维素水热预炭化-炭化-KOH活化制备多孔炭微球；③ 硫酸亚铁原位炭化还原制备多孔炭C/FeS/Fe材料；④ 胶原蛋白CaCO3原位碳化活化制备分级多孔炭；⑤ 丝瓜络预氧化-碳化-活化制备多级孔炭和⑥ 强氧化还原同步炭化活化制备分级多孔炭。揭示了高温加压氨气氛下KOH碳化活化增氮增氧的NH3-KOH双重碳化活化制炭机理，掺氮量最高达到10%以上，比表面积达到2000m2 g-1，离子液体(EMIM TFSI)电解质组装对称超级电容器，其能量密度高达99.5W h kg-1，在高功率密度21660W kg-1下，能量密度仍能保持27.7W h kg-1。发现麻杆半纤维素水热预炭化策略，能有效防止活化使炭微球损毁，具有丰富微孔匹配适宜介孔的组合织构和高氧含量，比表面积高达3062 m2g-1，6 M KOH溶液超级电容器比电容达到318 F g-1，0C条件下具有优异CO2和CH4的吸附能力。针对酶解木质素固废物，提出H2SO4水热炭化和KOH活化组合方法，具有超大孔-大孔-介孔-小介孔-微孔五级组合的3D蜂窝状多级分层的孔结构，导电性高达5.4 S cm-1，离子液体超级电容器的能量密度高达46.8W h kg-1，功率密度25400 W kg-1时，能量密度仍保持在22.9 W h kg-1。本课题研究思路开拓了生物质可持续性利用途径。

内容获取失败，请点击重试