一种改性碳基材料及其制备方法与应用与流程
《生物质基碳材料的制备及在环境与能源中的应用》范文
《生物质基碳材料的制备及在环境与能源中的应用》篇一摘要：本文旨在探讨生物质基碳材料的制备方法及其在环境与能源领域的应用。
首先，我们将概述生物质基碳材料的基本概念和重要性。
接着，我们将详细描述其制备方法，包括原材料的选择、处理工艺和关键技术。
随后，我们将探讨这些材料在环境修复、能源存储和转换以及环境友好的能源利用等方面的应用。
最后，我们将对生物质基碳材料的发展前景进行展望。
一、引言随着人类对可再生能源和环保技术的需求日益增长，生物质基碳材料因其来源广泛、成本低廉、环境友好等优点，受到了广泛关注。
这类材料以生物质为原料，通过特定的热解、活化等工艺制备而成，具有优异的物理化学性能，如高比表面积、良好的导电性和化学稳定性。
在环境与能源领域，生物质基碳材料的应用具有巨大的潜力和广阔的前景。
二、生物质基碳材料的制备1. 原材料选择：生物质基碳材料的原材料主要包括农业废弃物、木材、纤维素、果壳等。
这些原料具有可再生、可降解的特点，是制备生物质基碳材料的理想选择。
2. 处理工艺：生物质基碳材料的制备过程主要包括预处理、碳化和活化三个步骤。
预处理阶段主要是对原料进行清洗、破碎和干燥；碳化阶段是通过高温热解将原料转化为碳材料；活化阶段则是通过化学或物理方法进一步增加碳材料的比表面积和孔隙结构。
3. 关键技术：在制备过程中，需要掌握的关键技术包括温度控制、气氛调节、催化剂的使用等。
这些技术对最终产品的性能和质量有着至关重要的影响。
三、生物质基碳材料在环境与能源中的应用1. 环境修复：生物质基碳材料因其大的比表面积和丰富的孔隙结构，具有良好的吸附性能，可应用于废水处理、重金属离子吸附、气体净化等领域。
此外，其还可以作为催化剂或催化剂载体，提高环境修复的效率。
2. 能源存储和转换：生物质基碳材料在能源存储和转换方面也具有广泛的应用。
例如，可作为锂离子电池、钠离子电池、超级电容器的电极材料，提高电池的能量密度和功率密度。
此外，还可以作为燃料电池的催化剂载体或电解质添加剂，提高燃料电池的性能。
离子液体改性碳材料及其应用的研究进展
离子液体改性碳材料及其应用的研究进展
李源;张琦;夏礼栋;高达利;庄毅;张师军
【期刊名称】《化工新型材料》
【年(卷),期】2024(52)2
【摘要】阐述了离子液体改性碳材料的几种主要方法,包括物理改性、化学改性等。
论述了不同改性方法的特点和优缺点,以及不同改性方法制备的离子液体改性碳材
料的主要用途。
综述了目前离子液体改性碳材料的主要应用,展望了离子液体改性
碳材料的应用前景。
【总页数】5页(P32-36)
【作者】李源;张琦;夏礼栋;高达利;庄毅;张师军
【作者单位】中国石化北京化工研究院;中国石油化工集团公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.化学气相沉积法碳包覆改性锂离子电池电极材料的研究进展
2.介质阻挡放电等离子体改性碳基材料研究进展
3.锂离子电池正极材料LiFePO4的表面碳包覆改性研
究进展4.利用等离子体技术制备和改性碳基纳米材料的研究进展5.离子液体改性
的金属有机框架材料催化CO_(2)与环氧化物环加成反应研究进展
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《生物质基碳材料的制备及在环境与能源中的应用》范文
《生物质基碳材料的制备及在环境与能源中的应用》篇一摘要：本文综述了生物质基碳材料的制备方法、性质特点及其在环境与能源领域的应用。
随着对可再生能源和环保材料需求的增加，生物质基碳材料因其来源广泛、成本低廉、环境友好等优点，逐渐成为研究的热点。
本文旨在全面介绍生物质基碳材料的制备工艺及其在环境治理和能源开发中的应用前景。
一、引言生物质基碳材料是指以生物质为原料，通过特定的工艺方法制备得到的碳材料。
生物质包括农作物废弃物、林木废弃物、城市垃圾等，利用这些物质进行碳材料的制备不仅可解决环境问题，而且对开发绿色、可再生的新能源具有深远的意义。
本文旨在全面分析生物质基碳材料的制备过程以及其在环境与能源领域的具体应用。
二、生物质基碳材料的制备方法（一）热解法热解法是生物质基碳材料的主要制备方法之一。
将生物质材料在高温、无氧或低氧条件下进行热解，得到碳材料。
这种方法简单易行，且碳产率高。
（二）化学活化法化学活化法是通过化学试剂与生物质材料进行反应，再经过高温处理得到碳材料的方法。
这种方法可以调节碳材料的孔隙结构和表面性质。
（三）气相沉积法气相沉积法是在特定条件下，通过气相中的有机物分解并沉积在基体上，形成碳材料的方法。
这种方法可以制备出具有特定结构和性能的碳材料。
三、生物质基碳材料的性质与特点（一）多孔性生物质基碳材料具有丰富的孔隙结构，包括微孔、介孔和大孔等，有利于吸附和分离环境中的有害物质。
（二）高比表面积生物质基碳材料具有较高的比表面积，能够提供更多的反应活性位点，提高其在催化、吸附等反应中的效率。
（三）良好的导电性经过适当的处理，生物质基碳材料具有良好的导电性，可应用于电化学储能器件和电极材料等领域。
四、生物质基碳材料在环境与能源领域的应用（一）环境治理方面的应用生物质基碳材料因其多孔性和高比表面积的特点，常被用于吸附和分离环境中的有害物质，如重金属离子、有机污染物等。
此外，还可用于制备催化剂及其载体，提高污染物的降解效率。
木质素改性方法及其制备碳纤维的应用研究进展
木质素化学改性方法的应用领域
在化工领域，木质素可以用于生产胶黏剂、涂料、树脂等高分子材料。经过 氧化、还原、水解、酯化等改性处理后，木质素可以获得更好的应用性能，满足 不同领域的需求。
在医药领域，木质素可以用于生产抗肿瘤药物、抗炎药物等。例如，经过氧 化改性的木质素可以与某些药物分子结合，提高药物的疗效和生物利用度。
在水解改性方面，研究者通过调整酸或碱的浓度、反应温度和时间等参数， 实现了木质素高效、环保的水解改性。例如，利用硫酸作为水解剂，可以在较温 和的条件下将木质素中的酯键或醚键水解断裂，提高其活性基团暴露程度。
在酯化改性方面，研究者通过选择合适的酯化剂和反应条件，实现了木质素 与有机酸或醇的有效酯化反应。例如，采用苯甲酸作为酯化剂，可以在较低的温 度和较短的时间内完成木质素的酯化改性。
木质素的化学改性方法
氧化改性是木质素改性中最常用的方法之一。通过引入羧基、羟基等活性基 团，提高木质素的亲水性和反应性。常见的氧化剂包括过氧化氢、双氧水等。在 氧化改性过程中，反应温度、时间和氧化剂的浓度等因素对改性效果有很大影响。
还原改性是通过还原剂的作用，将木质素中的羰基还原为羟基，从而提高其 反应性和稳定性。常用的还原剂包括硼氢化钠、氢化锂等。还原改性的效果受还 原剂种类和浓度、反应温度和时间等因素的影响。
4、推动产学研合作，促进木质素基碳纤维的产业化进程，为绿色、低碳经 济的发展做出贡献。
参考内容
木质素是一类具有复杂三维结构的天然高分子化合物，主要存在于木材、废 纸等生物质资源中。由于其独特的结构特性，木质素在化工、医药、食品、材料 等领域具有广泛的应用前景。为了更好地发挥木质素的应用价值，人们采用了各 种化学改性方法，如氧化、还原、水解、酯化等，以改变其原有的物理和化学性 质。
电化学传感器用碳材料的制备及应用综述
电化学传感器用碳材料的制备及应用综述摘要：近年来电化学传感器由于对痕量物质检测敏感，被广泛应用于环境保护监测及医学检测等相关领域，由于碳材料具有成本低廉、检测灵敏度高、操作简单等优势，使其在电化学传器的制备过程脱颖而出。
本文综述了新型碳纳米材料、改性碳材料的制备及其修饰电极用作电化学传感器在痕量检测方面的作用。
关键词：传感器、改性、氮良好的导电、导热性，比表面积大是新型碳纳米材料具有的显著特征，使其能满足电化学传感器的性能需求，为了提高进一步碳纳米材料的电催化活性、稳定性、检测灵敏度等高性能电化学传感器需求，研究者采用不同类型的原子、分子等对碳材料进行掺杂，发现改性后的碳材料性能有明显的提升。
相比于传统化学的测定方法，成本低，操作简单，灵敏度高等优势成为改性碳材料修饰电极的一大特点。
目前关于改性碳材料的研究很多，普遍应用于一些环境或人体体液中微量物质含量的测定。
本文对新型碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯和多孔碳）的制备方法，单独氮掺杂碳材料和复合材料掺杂碳材料的制备及其修饰电极作为电化学传感器在微量物质含量测定方面的应用进行详细的介绍。
1、改性碳材料在电化学传器的制备过程的应用应用于电化学传感器中的碳材料能够促进电子的移动和降低电化学氧化还原中的过电位作用[1]。
由于通过物理化学的方法对原型碳材料（新型碳纳米材料如碳纳米管、石墨烯、多孔碳等）进行改性掺杂其他类型的原子、分子等，使之提高电化学传感器的性能。
1.1碳纳米管碳纳米管具有高比表面积，良好的导电和机械性能，在电化学领域前景广阔。
碳纳米管的制备有两种方法：一是电弧放电、激光烧蚀法等热处理法，二是化学气相沉积法[2]。
电弧放电、激光烧蚀法是利用电弧放电或激光烧蚀将石墨加热到3000-4000℃，使碳原子挥发，从而生成碳纳米管[2]。
但热处理的方法制得的碳纳米管副产物较多，为了解决这个问题，在使用电弧法的过程中，Ebbesen[3]等人发现采用在空气中加热的方法可以除去副产物，制得纯的多壁碳纳米管。
传统碳基材料的改性和应用
传统碳基材料的改性和应用碳是一种常见的元素，广泛存在于自然界和人工制品中。
而碳基材料则是以碳为主要成分的材料，包括石墨、石墨烯、炭、活性炭等。
这些传统碳基材料具有许多优良的性能，例如高物理强度、化学稳定性、导电性、导热性、吸附性等。
因此在众多领域中有许多应用。
然而，传统碳基材料也存在一定的局限性。
如石墨烯脆弱易碎、活性炭吸附容积小等。
因此，为了满足不同领域对碳基材料性能的需求，人们开展了改性研究，探究如何改善其性能，延长其使用寿命。
改性方法改性方法可以通过多种途径实现。
例如：激光刻蚀、离子注入、高能球磨、表面修饰等。
这些方法都能够在碳基材料中引入新的原子或基团，提高其特定性能。
以下来具体介绍一下几种方法的具体原理和改性效果。
1.激光刻蚀。
激光刻蚀是通过激光加热碳基材料表面，使其熔化和汽化，然后再通过凝固，使材料表面构成不同的形貌和结构，从而改变其性能。
例如石墨烯表面附着的氧化物质量随着激光功率增大而增多，可以提升其对氧气、水、NO2等气体的响应能力。
2.离子注入。
离子注入是通过将离子注入到碳基材料中，改变其化学组成和结构，从而改变其物理和化学性质。
例如石墨材料可以通过硼原子的注入形成硼化碳材料，硼化碳材料具有硬度高、耐热性强等特点，可用于制作切削工具等。
3.高能球磨。
高能球磨是将碳基材料在高速球磨机器中进行摩擦磨损，使其颗粒产生碰撞和合并，从而使材料产生微观结构和相变，改变其物理和化学性质。
例如炭材料的高能球磨可以增大材料的孔径、提高孔隙率、增加孔容，并且孔隙结构更为均匀和连通，可用于清除水中有机物。
4.表面修饰。
表面修饰是在碳基材料表面涂覆一层其他材料或化合物，从而改变其表面的能量、电荷、亲水性等，改变其物理和化学性质。
例如石墨烯表面涂覆有机分子，可以大幅提高其稳定性，在生物医学领域中有广泛的应用。
改性效果通过上述多种改性方法，传统碳基材料各方面性能得到了大幅度提升。
以下从几个方面来具体介绍下改性效果。
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具体地，步骤(1)所述分散的具体条件包括：
[0032]
分散温度为0～100℃；
[0033]
分散时间为1～5h。
[0034]
具体地，步骤(2)所述凝胶化反应的具体条件包括：
[0035]
反应温度为30～100℃；优选30～60℃，更优选30～40℃。
[0036]
反应时间为0.5h～24h；
[0007]
具体地，孔隙率为5.5～7.0ml g-1，比表面积为0.2～0.45m2 g-1。
[0008]
本申请的第二方面，提供了一种改性碳基材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]
(1)将碳基材料分散在聚合物单体分散液中，得到混合体系；
[0010]
(2)将交联剂、引发剂添加到步骤(1)得到的混合体系中进行凝胶化反应，真空冷冻干燥，得到材料前体；
[0021]
优选地，步骤(1)中所述碳基材料与聚合物单体的质量比为1：100～100：1，优选3：1～5.05，其中，聚合物单体的质量均以聚合物单体总质量计；可选地，所述碳基材料与聚合物单体的质量比下限选自1：100、3：5.05、3：2.05、3：1，上限选自3：5.05、3：2.05、3：1、100：1。
[0071]
将0.02g过硫酸铵加入上述反应体系中,在60℃下超声充分溶解，使反应体系在碳基材料表面发生凝胶化过程，50min后取出碳基材料使用液氮进行真空冷冻干燥，冷冻温度为-40℃，冷冻时间为24小时。
[0072]
将真空冷冻干燥后的碳基材料，置于管式炉中，在氩气气氛900℃中煅烧2小时，升温速率5℃/min，冷却到室温，取出碳基材料用稀盐酸和去离子水分别清洗三次，置于烘箱中充分烘干得到目标电极。
[0061]
实施例1：
[0062]
将0.95g nipam和0.05g丙烯酰胺溶在50ml去离子水中，室温搅拌约2小时均分分散，得到聚合物单体分散液；
[0063]
将3g石墨毡浸泡在上述聚合物单体分散液中，得到混合体系；
[0064]
向上述混合体系中加入0.01g n,n
′-
亚甲基双丙烯酰胺超声分散均匀，得到反应体系；
[0043]
可选地，煅烧温度下限选自600℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，上限选自700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、1000℃。
[0044]
可选地，煅烧时气氛例可以为氮气、氩气、氧气、氨气等气氛，优选氩气气氛。
[0045]
可选地，煅烧升温速率为1～10℃/min。
[0037]
可选地，步骤(2)所述真空冷冻干燥的具体条件包括：
[0038]
干燥温度为-40℃～0℃；
[0039]
干燥时间为1～24h；
[0040]
可选地，步骤(3)所述煅烧的具体条件包括：
[0041]
煅烧温度为600～1000℃；优选煅烧温度为750～850℃；
[0042]
煅烧时间为1～24h；
钒液流电池的充放电曲线图。
具体实施方式
[0057]
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
[0058]
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。
[0059]
其中，石墨毡为购买自湖南省银峰新能源有限公司的e1708型号；
[0060]
碳毡为购买自湖南省银峰新能源有限公司的e1906型号。
[0054]
图2为实施例1提供的目标电极(gf@ca)及对比例提供的目标电极(gf@u)的正负极循环伏安曲线图；
[0055]
图3为实施例1提供的目标电极(gf@ca)及对比例提供的目标电极(gf@u)的交流阻抗图；
[0056]
图4为实施例1提供的目标电极(gf@ca)及对比例提供的目标电极(gf@u)制备的全
[0027]
(1)将聚合物单体溶于去离子水中，室温约2小时均分分散，将碳基材料浸泡在线性聚合物溶液中，超声分散均匀，得到聚合物溶液；
[0028]
(2)将n,n
′-
亚甲基双丙烯酰胺溶在去离子水中，通过超声分散，得到交联剂溶液，在强力搅拌过程中，将交联剂溶液缓慢滴加到聚合物溶液中，使交联剂在碳基材料中发生凝胶化过程，反应时间1～24小时后，取出碳基材料使用液氮冷冻，经过24小时真空冷冻干燥；
[0065]
将0.02g过硫酸铵加入上述反应体系中,在35℃下超声充分溶解，使反应体系在碳基材料表面发生凝胶化过程，50min后取出碳基材料使用液氮进行真空冷冻干燥，冷冻温度为-40℃，冷冻时间为24小时；
[0066]
将真空冷冻干燥后的碳基材料，置于管式炉中，在氩气气氛800℃中煅烧2小时，升温速率5℃/min，冷却到室温，取出碳基材料用稀盐酸和去离子水分别清洗三次，置于烘箱中充分烘干得到目标电极。
[0022]
优选地，所述聚合物单体与交联剂的摩尔比为0.01～700：1，优选100～700：1，更优选100～200：1；
[0023]
优选地，所述引发剂与所述交联剂的质量比为1：0.5～200。
[0024]
在一可选实施例中，聚合物单体为n-异丙基丙烯酰胺(nipam)和丙烯酰胺(am)的混合物，交联剂为n,n
[0005]
其中，所述碳基材料可选自用于电池电极的常规碳基材料，本发明不做限定。优选地，所述碳基材料选自碳毡、碳布、碳纸、石墨毡中的至少一种。
[0006]
本申请提供的改性碳基材料，通过在碳基材料表面形成一层苔藓状改性碳气凝胶，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，促进电池的电压效率和能量效率。
[0029]
(3)将真空冷冻干燥后的碳基材料，置于管式炉中碳化，在氩气气氛中600℃～1000℃中煅烧1～24小时，升温速率1～10℃/min，冷却到室温，取出碳基材料用稀盐酸和去离子水分别清洗三次，置于烘箱中充分烘干，得到电极材料。
[0030]
本实施例通过凝胶化反应，真空冷冻干燥和高温碳化等过程在碳基材料中原位生长改性的碳气凝胶苔藓，极大提高了电极的界面反应区域和催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，促进电池的电压效率和能量效率。
[0020]
可选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中聚合物单体的质量浓度为0.1～50％，优选1～10％，更优选1～3％；可选地，步骤(1)所述聚合物单体分散液中聚合物单体的质量浓度下限选自0.1％、1％、1.96％、3.9％、9.2％、10％，上限选自1％、1.96％、3.9％、9.2料作为电极材料使用时，通过在碳基材料表面形成一层苔藓状改性碳气凝胶，极大地提高了电极的界面反应区域，同时由于氮参杂提高了催化活性位点，加速离子的输运与电荷的转移，进而提升电极的电化学活性，降低电化学极化，提升电池的能量效率(均可达70％以上，最高可达74.5％)和电压效率(均可达70％以上，最高可达74.8％)。
可选地，所述聚合物单体为n-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的混合物；
[0015]
可选地，所述n-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比为0.9～5：0.05，优选0.9～1.5：0.05；可选地，n-异丙基丙烯酰胺和丙烯酰胺的质量比下限选自0.9：0.05、0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05，上限选自0.95：0.05、1：0.05、1.5：0.05、2：0.05、5：0.05。
[0011]
(3)对步骤(2)得到的材料前体进行煅烧，得到改性碳基材料。
[0012]
该制备方法工艺过程简单，原料成本低廉，且操作灵活方便，易于规模化生产。
[0013]
具体地，步骤(1)所述聚合物单体选自n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺、乙二醇、聚乙
烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的至少两种；
[0014]
′-
亚甲基双丙烯酰胺。
[0025]
本实施例提供的改性气凝胶苔藓结构原位生长在碳基材料上，所述碳气凝胶苔藓结构是n-异丙基丙烯酰胺(nipam)和丙烯酰胺(am)共聚为骨架，通过n,n
′-
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂形成的，即聚合物单体和交联剂交联制备得到的。
[0026]
在一具体实施例中，所述制备方法包括：
[0001]
本申请涉及储能液流电池技术领域，具体涉及一种改性的碳基材料及其制备方法与在全钒液流电池电极材料中的应用。
背景技术：
[0002]
由于社会的不断努力和发展，可再生能源能源，例如太阳能和风能，正在逐渐取代化石燃料。然而，为了确保其发展满足其实际使用，需要大规模用于稳定能量输出的储能系统。全钒液流电池(vrfb)由于其结构灵活，使用寿命长，维护成本低等优点是最有潜力的储能技术之一。vrfb在正、负极反应中使用具有不同价态的相同元素，有效地解决了正负极交叉污染和电解质的重复利用的问题。电极材料作为氧化还原反应区，由于浓差极化和电化学极化影响着vrfb的容量和能效效率(ee)。因此，必须开发更高效的电极材料来改善vrfb的整体性能。在各种电极材料中，石墨毡(gf)作为一种电极材料，由于其成本低廉、耐酸性好，在vrfb中得到了广泛的应用。然而，gf电极表面活性位点不足，导致钒电氧化还原反应催化活性差。目前已有几种方法被用来提升gf电极的电化学性能，如酸处理，空气热氧化，电化学氧化，官能团的引入，金属修饰。然而，通过使用这些方法进行修饰仍然不能得到高功率稳定输出的vrfb(电流密度为200ma cm-2时电压效率约为69％，能量效率约为68％)。
技术实现要素：