生物质基多孔炭材料制备及在电化学中的应用

摘要

随着经济的快速发展，物质能源和环境污染成为目前人类面临的两大主要挑战，因此寻找新能源和研究新型材料备受科学家们的关注。多孔炭材料由于其独特的结构性质和优异的特性，如高比面积、热稳定性和高导电性等，使其在储能和电化学等领域都起着重要的作用。
　　本论文重点阐述了采用生物质废料及衍生物制备多孔炭材料，并对目标产物进行表征和性能研究。通过采便宜且资源丰富的废弃生物质及其衍生物，利用多种制备方法，得到了各种高比表面、大孔容的生物质基多孔功能炭材料，并研究了它们在锂离子电池、锂硫电池和电催化领域的应用。
　　1)采用氨基葡萄糖和二氯化锡为原料，通过简单的水热碳化和KOH化学活化的方法成功制备出锡基多孔炭材料，通过对Sn/C复合材料的表面形貌与结构等物理性质进行了研究，表明Sn/C复合材料具有较高的比表面积和丰富的微孔孔道结构。在锂离子电池测试中，电流密度为100 mA g-1下的首次放电比容量为1011 mAh g-1，经过100圈循环测试后仍然保持电容量为400 mAh g-1。
　　2)通过可持续温和的合成方法水热碳化(HTC)和CO2活化，从废料虾壳合成氮掺杂的3D分层多孔炭材料。得到的材料具有微孔-中孔-大孔结构，SSA值为1300 m2 g-1，孔容量为0.72 cm3 g-1。3D分层多孔结构以及氮官能团使得材料作为良好的基底材料负载和保持硫，且硫的负载量约为46％，在倍率性测试中，在1 C的电流密度下仍可保持580 mAh g-1的可逆比容量，再回到0.1 C时表现出870 mAh g-1的高比容量性能。
　　3)采用不同的简单金属盐混合物通过化学活化的方法，对廉价易得的生物质废弃物虾壳进行离子热活化制备出高比表面积(约1600 m2 g-1)，大孔容(1.50 cm3 g-1)的氮掺杂多孔炭材料，对材料结构和形貌进行表征，观察到大孔，介孔和微孔的大量三维多孔性结构对电催化性能具有较大影响，这些结构和孔隙不仅对ORR反应为O2提供了大的接触面积，提供了更多的活性位点，也为电解液的浸入和电子传输提供了大量有效通道。同样材料经过高温碳化和活化后，具有大量的石墨化碳结构这有利于ORR的反应。XPS表征催化剂的表面具有大量的吡啶氮和石墨氮，这两种氮被认为是氮掺杂的炭材料作为氧还原催化剂的活性氮的反应状态，也是提高催化剂催化性能的因素之一。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 多孔炭材料简介

1.4 多孔炭材料的应用

1.5 生物质基多孔炭材料的研究

1.6 本文的主要研究内容

第2章 实验材料与分析方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 结构表征及性能测试

第3章 Sn/C复合材料的制备及其离子电池性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 虾皮衍生的氮掺杂三维分层多孔炭材料用于锂硫电池

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 废弃生物质制备氮掺杂多孔炭材料及在氧还原反应中的电催化作用

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的科研任务与主要成果

致谢