生物质炭材料的制备及电化学应用研究进展_杜锐

３． １ 炭化
是指把含炭物质在惰性气体（ 一般用 Ｎ 所谓 炭 化 ， 保 ２） ， ） 炭化温度通 在真空管式炉中进行热解 （ 见图 １ 护的氛围下 ， 常在 １ 即 ０ ０ ０ ℃ 以 下。 热 解 炭 化 过 程 一 般 分 为 ３ 个 阶 段， ０ ０ ℃； ０ ０ ０ ０ ℃； ０ ０～１ ０ ０ ０ ℃。相 关 研 究 ②４ ～７ ③７ ① 低于４ ， 以 表明 ， 当炭化温度为 ４ 下 时 主 要 为 植 物原料发生脱 ０ ０℃ 酸、 脱水等一次分解 反 应 ， 此 时 的－Ｏ －键 不 分 解 。 当 炭 化 温 度 为４ 氧元素主要以 ０ ０～７ ０ ０ ℃ 之 间 时， －Ｏ －键 会 发 生 断 裂 ， 同时 ， 原料 的 挥 发成 分 也会逐渐减 Ｃ Ｏ、 Ｃ Ｏ ２ 等形态释放出来 ， 原 料 中 的 挥 发 成 分 几 乎 为 零。 少 。 当炭化温度为 ７ ０ ０ ℃ 时， 主要 为脱 氢反 应 。 植 物 基 原 当炭化温度为 ７ ０ ０ ０ ０ ０ ℃时， ～１ 料经炭化之后称 为 炭 化 料 ， 因 其 吸 附 性 能 较 差， 一般还需进 行活化处理 ， 以调节炭材料的孔隙结构及应用性能 。
３ 植物基炭材料的制备方法
其制备方法也有很多 植 物 基 炭 材 料 的 原 料 多 种 多 样， 种 。 目前 ， 最主要的方法为炭化和活化 。
， ／ 活化时间 ９ 水蒸气流量 ０． ℃， ０ｍ ｉ ｎ ４ ５Ｌ ｍ ｉ ｎ 条 件下制得活 ［ ９］ 。 ， 活化 性炭 Ｃ ｈ ａ ｆ ｉ ａ等 以椰枣核为原料 在活化温度 ７ ０ ０ ℃，
生物质炭材料作为一种新型材料具有质量轻气孔率高耐高温耐酸碱结构稳定性好易导电易传热易加工等一系列优异的性能可广泛应用于高温隔热材料催化剂载体吸附材料过滤材料及双电层电容器和电池的电极材料等方面生物质炭材料的植物原料目前工业化的炭材料的生产成本较高探索原料丰富成本低廉可再生的植物原料成为近年来炭材料生产研发的热点植物类中最主要的有木材竹子农作物秸秆稻草麦秆豆秆棉花秆谷壳植物纤维等
） ； ］ 广西高校优秀人才项目 （ 桂教人 ［ ２ ０ １ １ Ｙ Ｂ ０ ０ １ ２ ０ ０ ７ ３ ８号） ＫＨ ＊ 广西矿冶与环境科学实验中心资助项目 （ ： 男， 讲师 ， 博士生 ， 研究方向为材料物理化学 Ｅ－ｍ 通讯作者， 女， 教 １ ９ ８ １ 年生 ， ａ ｉ ｌ ３ １ ７ ８ ８ １ ２ ６ ４＠ｑ １ ９ ７ ４年生， ． ｃ ｏ ｍ 覃爱苗 ： 杜锐 ： ｑ ： 授， 研究方向为材料物理化学 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ｉ ａ ｏ ａ ｉ ｉ ｎ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ ＠ｇ ｑ
６］ 。 滤材料及双电层电容器和电池的电极材料等方面 ［
２ 生物质炭材料的植物原料
探 索 原 料 丰 富、 目前工业化的 炭 材 料 的 生 产 成 本 较 高 ， 成本低廉 、 可再生的植物原料成为近年来炭材 料 生 产 研 发 的
７］ 。 热点 ［
料的优点可概括为以下几个方面 。 （ ） 生 物 质 炭 材 料 原 料 的 多 样 性。 可 以 利 用 农 作 物 秸 １
生 物质 炭 材料 的 制备 及 电 化学 应 用 研究进展／杜 锐 等
·９ ３·
生物质炭材料的制备及电化学应用研究进展 ＊
２ ２ ， ， 覃爱苗１， 韦 春１， 童 张法２ 杜 锐１，
（ 广西矿冶与环境科学实验中心 ， 有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室 ， １ 桂林理工大学材料科学与工程学院 ， ） 桂林 ５ 南宁 ５ ４ １ ０ ０ ４； ２ 广西大学化学化工学院 ， ３ ０ ０ ０ ４ 是目前电化学领域的热点研究方向之 摘要 炭 材料作为重要 的电 极 材料 在 电 化 学 方 面 有 较 为 广 泛 的 应 用 ， 一 。 生 物质 材料 是 价廉易 得的可 再 生 资 源 ， 为 炭 材料 的 制 备 提 供 了 丰 富 的 碳 源 。 综 述 了 生 物 质 炭 材 料 的 性 质 、 制备 所需的植物原料、 制备方 法以及 生 物质 炭 材料在 电 化学 应 用 领域 的研究进展 。 关键词 生物质 炭材料 植物 电化学 中图分类号 ： ９ １ ２ 文献标识码 ： ＴＭ Ａ
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材料 导 报 Ａ： 综述 篇
上） 第２ ０ １ ４ 年 ３ 月（ ８ 卷第 ３ 期 ２
农作物（ 秸 秆、 稻 草、 麦 植物类中最主要的有木材 、 竹 子、 、 植物纤维 等 。 这 些 天 然 植 物 类 原 料 秆、 豆秆 、 棉花秆 、 谷壳 ） 经过热解炭化均可用于制备具有发达孔隙结构 、 较大比表面 积的炭材料 ， 可广 泛 应 用 于 超 级 电 容 器 、 锂离子电池的电极
１ 生物质炭材料的性质
生物质炭材料不仅可以减轻全球灾难 性 的 气 候 变 化 ， 而 且还能够提高农业生产率 ， 减少 对 炭密 集 肥 料 的 需 求 。 生 物 质炭材料丰富的 孔 隙 结 构 十 分 容 易 聚 集 营 养 物 质 和 有 益 微 生物 ， 可使土壤变得肥沃 ， 有利于植 物的生 长 ， 在实现农作物
４］ 。生物质炭材 增产的同时也 可 以 让 农 业 更 具 有 可 持 续 性 ［
作为一种新型材料 ， 具有质量轻 、 气 孔 率 高、 耐 高 温、 耐 酸 碱、 结构稳定性 好 、 易 导 电、 易 传 热、 易加工等一系列优异的性 能， 可广泛应用于 高 温 隔 热 材 料 、 催 化 剂 载 体、 吸 附 材 料、 过
０ 引言
也是非 常 重 要 的 工 业 原 炭材料是人们生活中的必需品 ， 料 。 炭材料因其丰富的孔隙结构 、 较大的比 表 面 积 和 优 良 的 导电性 、 耐酸碱 、 耐高温等优点而被认为是最具有广泛用途 的功能型材料之一
［ １－３］
பைடு நூலகம்
秆、 林业加工 剩 余 物 、 畜 禽 粪 便、 食品加工业产生的有机废 水、 城市垃圾等为原料 。 人类走向以生物 能 源 开 发 利 用 为 标 志的可再生能源 时 代 ， 其 研 究 意 义 十 分 重 大， 不仅可以保持 对农村大量土地的有效利用 ， 而且可以提高农民收入 。 （ ） 生物质炭材料的制备方法简 单 。 主 要 是 把 含 炭 物 质 ２ 保护的氛围下加热 ， 除去生物质原材 在惰性气体 （ 一般用 Ｎ ２） 料中的 Ｓ、 ａ 等非碳元素 。 炭化温度通常是 在 １ ０ ０ ０ Ｏ、 Ｈ、 Ｎ、 Ｃ
１２ １ １２ ２ ，Ｑ ，ＷＥ ， Ｒ ｕ ｉ Ｉ Ｎ Ａ ｉ ｍ ｉ ａ ｏ Ｉ Ｃ ｈ ｕ ｎ ＯＮＧ Ｚ ｈ ａ ｎ ｆ ａ Ｔ ＤＵ ｇ ， ，
（ ，Ｋ ，Ｍ １ Ｇ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｎ ｅ ｗ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｕ ａ ｎ ｘ ｉ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ Ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｙ ｇ ｇ ｙ ｙ ｇ ｐ ｇ ， ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｎ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｇ ｙ ， ， ａ ｎ ｄ Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎ ５ ４ １ ０ ０ ４； ２ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｙ ｇ ｙ ｙ ｇ ｇ ） ，Ｎ ， ５ ３ ０ ０ ０ ４ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ Ｇ ｕ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ， ｓ ｏ ｉ ｔ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｉ ｍ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｗ ｉ ｄ ｅ ｌ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃ ｙ ｐ ｙ ， ｂ ｉ ｏ ｍ ａ ｓ ｓ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ． Ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｉ ｔ ｓ ｃ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｎ ｅ ｗ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｐ ｙ ｐ ｐ ｙ ， ， ａ ｂ ｕ ｎ ｄ ａ ｎ ｔ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｍ ａ ｓ ｓ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ｆ ｏ ｒ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｐ ｐ ｐ ｐ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． ｐ ｐ ， ， ， ｉ ｏ ｍ ａ ｓ ｓ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｌ ａ ｎ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｂ ｐ ｙ ｙ
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３ ， ／ 氮气流速 １ 时间 ６ｈ ０ ０ｃ ｍ ｉ ｎ 条件下制得比表面积为 ６ ３ ５ ｍ ［０］ ２ ３ ／ 、 ／ 微 孔 体 积 为 ０． 利 ７ １ ６ｃ ｍ ｈ ｍ ｅ ｄ等 １ ｍ ｇ ｇ 的 活 性 炭 。Ａ 然后于 并在热水中放置 ７ 用松木在 ２ ５ ０ ０ ０ ℃ 下炭化 ， ２ｈ， ～６ ２ ， ／ 得到比面积为 １ ０ ５ ℃ 活化 ２ ４ｈ ４ ０ ０ｍ １ ｇ 的活 性 炭 。 潘 静 ［ １ １］ 、 水蒸 霞 以银杏木材为原料 ， 通过化 炉 炭 化 （ ０ ０～５ ５ ０ ℃） ５
［］ ℃ 以下 ５ 。 （ ） 生物质炭材料的应用领域十 分 广 泛 。 生 物 质 炭 材 料 ３
。由 草、 木 材、 玉 米 秆、 其他农作物或
农作物废弃物等 植 物 原 料 在 惰 性 气 氛 中 加 热 处 理 炭 化 而 制 成的炭材料称为 生 物 质 炭 ， 目 前， 生物炭已经引起了全世界 的广泛关注 。
， 制 备 出 了 比 表 面 积 较 大、 孔隙发达的 气活化 （ ０ ０ ５ ０ ℃） ８ ～８ 活性炭 。
６］ 。 材料 ［
所选用的气体活化剂反应活性相对较弱 ， 难以 在 碳 质 前 驱 体 内部形成发达的孔隙结构 ， 通常水蒸气活化制 备 的 多 孔 炭 材
２ ３ ／ ， ／ 。马 料的比表面积在 １ 孔容低于 １． ０ ０ ０ ５ ０ ０ｍ ０ｃ ｍ ～１ ｇ ｇ ８］ 在活化温度 ８ 祥元等 ［ 以核桃壳为原料 ， 水蒸气为活化剂 ， ５ ０