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哈!原来你是这样的生物质碳材料!!

中国粉体网 2019/7/29 11:11:28 点击 1125 次

导读 碳材料广泛应用于电极材料,例如碳纳米管和石墨烯等。然而,制备严重依赖基于化石燃料的前驱体,合成条件比较严苛,对环境压力较大且生产成本较高。自然界的生物质材料富含碳元素且有着独特的天然微结构,因而可作为十分有潜力的碳材料前驱体,进而可成为性能良好的碳材料电极。此外,生物质碳材料因来源的广泛性,因此在碳材料的应用中,生物质源碳材料具有可再生性、易加工性、可调控表面性能和相对低的成本等优势而引起行业关注,得益于当前的能源政策,生物质碳材料在新型的储能材料中有着不错的应用前景。

中国粉体网讯  碳材料广泛应用于电极材料,例如碳纳米管和石墨烯等。然而,制备严重依赖基于化石燃料的前驱体,合成条件比较严苛,对环境压力较大且生产成本较高。


自然界的生物质材料富含碳元素且有着独特的天然微结构,因而可作为十分有潜力的碳材料前驱体,进而可成为性能良好的碳材料电极。此外,生物质碳材料因来源的广泛性,因此在碳材料的应用中,生物质源碳材料具有可再生性、易加工性、可调控表面性能和相对低的成本等优势而引起行业关注,得益于当前的能源政策,生物质碳材料在新型的储能材料中有着不错的应用前景。


生物质碳材料的结构


生物质碳材料因生物质源的多样性,其微观结构表现出相应的多样性,如球形、纤维状、片状、管状以及棒状等。物质的性质由其结构所决定,不同的结构的碳材料,在内部孔隙、表面化学性质和力学性能等方面也有着较大的差异,因此其应用领域也略有不同。当前研究应用较为广泛的多为球形结构、纤维状、管状及片状等4种结构。





球形结构


在储能领域中,电极材料的微观物料特性越好,所制造的电池的性能也更优良。球形结构的生物质碳材料由于其出色的表面化学性质和独特结构,在电极材料等储能领域有着良好的应用前景。目前大多数表面光滑的球形生物质碳材料多以糖(蔗糖和葡萄糖)为原料制备。


纯粹的球形生物质碳材料虽有良好的物理和化学性质,但仍有改良空间,通过与其他材料的复合可以进一步的增强其性能。



纤维状结构


碳纤维(CFs)因其优异的导电性、较高的表面积、良好的柔韧性以及高抗拉强度,在高强度轻质复合材料、催化剂载体、生物化学、电磁屏蔽以及超级电容器、锂离子电池、燃料电池和太阳能电池等领域有着较好的前景。自然界中,如亚麻、苎麻、茎皮、莲蓬等具有纤维结构的生物质,能够很好的制备出不同微观结构的碳纤维材料,而不同微结构的碳纤维在共性以外也具有各自独特的应用。



碳纳米纤维的电镜图

管状结构


管状碳材料可为电子或离子传送提供通道,还可形成缓冲空间,在充放电过程加速电解质离子从电解质溶液到电极内部孔隙的扩散与迁移,缩短离子扩散的路径。具有中空管状结构生物质材料可作为具有导电活性的碳材料前驱体。此外某些多糖类物质也可生产管状结构碳材料。



热解木质素的扫描电镜图

片状结构


二维碳材料具有高纵横比、优异导电性和良好机械性能的特性。采用某些独特的生物质原料通过特殊的技术可以用来生产片状结构的碳纤维材料,同时具有较高的纵横比、良好的导电性和不错的机械性能。


生物质碳材料的合成方法


已有的生物质碳材料制备方法主要有直接碳化法(高温分解法)、活化法、水热碳化法和模板法。


直接碳化法


髙温碳化的目的是为了除去原料中的有机或者易挥发的成分从而得到具有的一定孔径结构的碳材料,该过程中发生了一定程度的热解和缩聚反应。一般植物类碳材料的热解反应步骤:

(1)300-470K温度阶段:脱水过程,化学成分并未改变。

(2)470-770K温度阶段:热解开始,产生大量焦油、气体,化学成分开始改变,碳骨架形成。

(3)770-1120K温度阶段:热解过程,产生大量反应物,碳骨架强化。


不同原料的热解温度也不相同,但是这些过程之间并没有特别严格的界限。影响最后碳化结果和所得材料结构的因素有很多,比如碳化温度、升温过程、不同温度阶段的保温时间和材料本身的结构和粒度等。


活化法


活化:反应前加入到材料中的活化成分与碳材料内部的碳原子之间发生理化反应消耗碳原子,同时生成金属盐或者挥发性气体,进而产生丰富的孔结构。活化剂的选用、活化处理时间长短、活化反应温度及活化剂的使用量都能够影响活化的最后结果。


常用的活化方法分以下三种:

  • 化学活化

化学试剂为活化剂,将其镶嵌进入碳骨架,通过系列交联或缩合聚合制备活性碳的方法。该方法所需活化时间短、活化反应过程易控制且产物的比表面积大。


  • 物理活化

主要是以CO2、H2O等氧化性气体作为活化成分,在活化过程中充入活化气体,高温反应阶段能够除掉反应过程中产生的非组织碳中间物质,并且也能够与结构中的活性碳原子之间相互作用。


  • 复合活化

物理活化和化学活化有效的结合,两者的优点结合,但同时也有均匀性差,活化程度不好控制,有效性差等不足。


水热碳化


水热碳化过程中涉及的化学反应主要包括5个步骤:水解、脱水、脱羧、聚合和芳环化。该方法具有简便、效率高和无污染等优点。


模板法


以多孔材料作为模板,以含碳的生物质小分子为碳源,通过一定方法将碳源注入模板的孔道中,使其聚合、固化,然后通过高温碳化形成碳和模板的混合体,最后除去模板而得到生物质碳的方法。此方法优点是可以通过选择合适的模板和碳源来调控碳材料的孔径。


生物质碳材料的研究现状


用于超级电容器方面的研究


碳材料因具有高稳定性、良好的导电性和高SSA等性质而被运用于超级电容器电极材料。生物质碳材料具有无污染、低消耗以及原料丰富等优点,此外还具有独特的结构、较高的表面积以及良好的电化学性能,因此一些研究者开始考虑将生物质碳材料应用于超级电容器。


用于离子电池方面的研究


离子电池由于具有电压高、比能量高、循环寿命长等优点广泛用于电子产品等领域。目前的离子电池负极碳片的碳源主要为化石能源,所以一些研究者考虑将生物质碳材料作为离子电池负极碳片的原材料。


用于导电涂料方面的研究


生物质碳纤维具有与化石燃料生产的碳纤维一样的导电特性,独特的生物质纤维结构能够使其与传统的碳纤维有些不同,因此在导电涂料领域中也有着很大的潜力。


用于其他方面的研究工作


生物质碳纤维,在碳纤维应用领域都有着广泛的研究前景,不同生物质结构所产生的碳纤维在不同领域的应用充满着未知的乐趣,随着相关研究的进展,生物质碳纤维或许在未来的碳纤维应用领域扮演着重要的角色。


参考资料:

张长存.生物质碳材科的制备及其性能研究

张涛.生物质碳材料的制备及其超电容性能研究

张成钺.生物质碳材料的制备及电化学性能

卢清杰.生物质碳材料及其研究进展

刘天一.生物质碳基超级电容器电极材料制备及性能

南吉星.生物质碳基复合材料的制备及其超级电容器性能研究??


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