生物質(zhì)多孔碳材料概念與應用

賈佳昕 吳公勇 張仕超

摘要：隨著清潔能源的開發(fā)利用，生物質(zhì)能以其清潔、可再生、可降解和多樣性等特點受到廣泛關注。作為農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)廢棄物的充分合理利用不僅可以產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益，而且可以解決現(xiàn)場焚燒帶來的一系列環(huán)境問題。生物質(zhì)多孔炭材料由于來源豐富、綠色環(huán)保、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)、比表面積大、耐酸堿、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛用作土壤改良劑、污染物吸附劑、超級電容器等新型儲能裝置的電極材料，優(yōu)異的導電性等性能和特性。

關鍵詞：生物質(zhì);多孔碳;活化;超級電容器

1、生物質(zhì)多孔碳材料概述

1.1、生物質(zhì)

隨著工業(yè)的發(fā)展，開發(fā)利用清潔能源已迫在眉睫。生物質(zhì)能已成為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)是指所有直接或間接利用綠色植物進行光合作用的有機物，包括所有植物、動物、微生物以及這些生物產(chǎn)生的排泄物和代謝物，具有可再生、可降解、清潔多樣的特點，是一種非常重要的可再生能源。我國是一個農(nóng)業(yè)和林業(yè)大國，每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物。這些廢棄物通常被焚燒，不僅造成生物質(zhì)能的浪費，而且造成嚴重的環(huán)境污染。

1.2、生物質(zhì)多孔碳材料

生物質(zhì)多孔碳材料是一種高芳香度、富含碳的多孔固體粉末，是在缺氧或絕對氧條件下，通過生物質(zhì)熱解、炭化和活化得到的。目前，對生物質(zhì)多孔碳材料的研究較多。常見的生物質(zhì)廢棄物有香蕉皮、柚子皮、樹葉、稻草、花生殼、核桃殼等。生物質(zhì)多孔炭材料具有來源豐富、制備方法簡單、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、導電性好等優(yōu)點。它們廣泛應用于重金屬和有機污染物的吸附、電極材料等領域。

2、生物質(zhì)多孔碳材料的制備

生物質(zhì)多孔炭材料通常是由生物質(zhì)原料碳化活化而成。因此，炭化和活化是生物質(zhì)多孔炭材料制備過程中最重要的兩個過程。

2.1、碳化

最常用的碳化法有直接碳化法和水熱碳化法。

1）直接碳化法

直接炭化是將生物質(zhì)放入管狀爐中，在氮氣或氬氣中熱解得到碳物質(zhì)的一種方法。自然界中生物量種類繁多，各種生物量中元素的種類和含量差異很大。因此，碳化溫度和碳化時間對材料的孔隙結(jié)構(gòu)和微觀形貌有很大的影響。以棉、棉麻、亞麻織物為原料，氮氣為保護氣體，采用直接碳化法制備了不同溫度下的柔性多孔炭材料。實驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，材料的石墨化程度增加。8500℃下制備的炭材料石墨化程度最高，亞麻織物制備的多孔炭材料比表面積為650m2g-1，主要為微孔結(jié)構(gòu)。采用直接炭化法，以每分鐘10℃升溫速率，在不同溫度下制備了2h的滸苔基生物炭，并用HCl和HF對其進行了改性。

2）水熱碳化法

水熱炭化法是指以水溶液為介質(zhì)，將生物質(zhì)原料和水溶液置于封閉系統(tǒng)中，通過加熱加壓，使生物質(zhì)在常溫常壓下炭化反應正常進行的方法。椰子殼和污泥按不同比例混合均勻后，轉(zhuǎn)移到220℃的反應釜中，加熱3h，進行水熱炭化。以KOH為活化劑，在N2保護氣氛中進一步炭化7000C。當椰子殼與污泥的比例為1∶3時，最大比表面積為3003 M2g-1。在電流密度為0.5 Ag-1時，比電容為420 Fg-1。以桂花為原料，通過水熱預碳化和活化碳化法制備了具有良好電化學性能的多孔炭材料。水熱炭化法所需溫度較低，一般在160℃～ 250℃之間。然而，水熱炭化法制備的多孔生物質(zhì)碳材料比表面積小，孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達，需要進一步的活化過程才能形成孔隙。

2.2活化

一般情況下，直接碳化和水熱碳化法制備的碳材料孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達，需要進一步活化來提高孔隙率和比表面積?；罨饕侵干镔|(zhì)原料或前體在碳化過程中與活化劑發(fā)生反應形成多孔結(jié)構(gòu)的過程。有兩種活化方法：物理活化和化學活化。

1）物理活化法

物理活化法又稱氣體活化法，是指在炭化過程中通過引入H2O、CO2、O2等氣體來獲得多孔炭材料。物理活化方法分為兩步：第一步是在保護氣體中預碳化生物質(zhì);第二步是在活性氣體中活化。Villella等人。以二氧化碳為活性氣體，椰子殼為原料。800℃下制備的多孔炭材料比表面積達到1452m2g-1，孔容為0.65m3g-1。

2）化學活化法

化學活化是生物質(zhì)原料或前驅(qū)體與活化劑混合均勻后，在惰性氣體保護下高溫熱解的過程。與物理活化法相比，化學活化法因其易于控制的過程和更為豐富的孔隙結(jié)構(gòu)而得到廣泛的應用。目前最常用的化學活化劑有KOH、K2CO3、ZnCl2、H3PO4等。Selvan等以橡果殼和KOH為活化劑，制備了比表面積為796 m2g-1的多孔碳材料，而沒有KOH活化的碳材料比表面積為334 m2g-1，說明KOH活化對提高材料比表面積有顯著作用。Hong等以H3PO4為活化劑，制備了比表面積為1272 m2g-1的柚皮基多孔碳材料，表面形貌為三維連接結(jié)構(gòu)。Ucar以石榴籽為原料，ZnCl2為活化劑，分別在600℃和800℃下制備了兩種多孔炭。600℃下制備的材料比表面積大，為978.8m2g-1。同時，浸漬率和炭化溫度對多孔炭材料的表面形貌和孔結(jié)構(gòu)有顯著影響。

3、生物質(zhì)多孔碳材料的應用

生物質(zhì)炭材料在土壤改良劑、污染物吸附劑、新型儲能裝置電極材料等方面有著廣泛的應用。在經(jīng)濟全球化時代，能源問題與各國的命運息息相關，是一個亟待解決的關鍵問題。隨著社會的發(fā)展，太陽能、風能和生物能等清潔能源的可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)束語

這些清潔能源并不是直接可以得到的，因此高效的能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置引起了大量研究者的關注。超級電容器作為一種新型的綠色儲能設備，具有充放電速度快、循環(huán)壽命長等特點，廣泛應用于電子產(chǎn)品、新能源、航空航天、軍事裝備等領域。

參考文獻

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