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纤维素基多孔炭的制备及其用于co2吸附与分离的应用

栏目:行业动态 · 发布日期:2021年1月7日 · 作者:中成泵业

多孔碳是一种功能性多孔材料,一般具有较高的比表面积和较大的孔体积。它在吸附和分离,纯化,能量存储和非均相催化领域具有广泛的实际应用价值。传统的多孔碳材料(也称为活性炭)通常是通过预处理,碳化和孔形成等原材料从木材,椰子壳和煤炭制备的。但是,这样的原料通常具有较高的实用价值,并且所制备的活性炭具有较低的比表面积和较宽的孔径分布,导致传统活性炭的实用价值和经济价值较低。因此,选择便宜且可再生的资源来制备高性能的多孔碳是当前的研究热门之一。

生物质是一种在自然界中分布极为广泛的可再生资源,包括农业废物,微生物,植物,食品废物,动物粪便等。它们通常具有很高的碳含量。据不完全统计,全球每年生产的生物量可转化为1000亿吨碳。通过一系列催化转化过程,生物质可用于制备高附加值的产品,例如多孔碳,生物燃料和精细化学品。因此,有效利用生物质被认为是解决人类能源危机的有效途径之一。在许多类型的生物质中,纤维素具有最丰富的储备。纤维素是大多数植物(例如木材,棉花,海藻)的主要成分之一,也是地球上最丰富的生物聚合物。它的碳含量高达45%。因此,从纤维素制备多孔碳是有效的。方法。这项研究将介绍纤维素基多孔碳材料的合成策略,揭示纤维素结构和合成方法对多孔碳的理化性质的影响,并讨论纤维素基多孔碳在CO 2领域的应用。

生物质向多孔碳的转化通常涉及两个步骤:碳化和活化。传统的碳化过程是在高温(500〜1000℃)和惰性气氛(如氩气,氮气)下热解生物质。该过程包括一系列复杂的反应,例如脱水,异构化,缩合等。氧气和其他组分转化为水,氢气,甲烷和其他气体,而残留的固体则是富碳焦炭。近年来,开发了一种新型的水热碳化方法,可以在较温和的条件下(<300℃,0.5〜1MPa)将生物质转化为具有较高碳/氢和碳/氧比的固体焦炭。与传统的高温热解碳化法相比,水热碳化法具有有很多优点。例如,较低的碳化温度可以节省燃料,并且焦炭的产率较高。纳米颗粒也可以引入水热碳化过程中以开发多功能多孔碳材料。通过碳化获得的焦炭的比表面积通常较低,并且需要进一步的高温活化和孔形成以形成具有高比表面积的多孔碳。根据活化剂的类型,活化过程可分为化学活化和物理活化。这两种方法各有优缺点。物理活化方法通常使用CO 2和水蒸气作为活化剂。活化过程是经济和环境友好的,并且所制备的多孔碳具有相对均匀的孔径分布,但是其比表面积相对较低,通常仅为几百平方米/克。化学活化方法使用H3PO4,KOH,K2CO3,NaOH,ZnCl2等作为活化剂。与化学活化法相比,化学活化法制得的多孔碳具有较高的比表面积,可达到1000〜3000m2 / g。然而,由于所使用的方法,活化剂,例如酸,碱和盐,一方面增加了制备成本,另一方面,它们倾向于对设备造成腐蚀。由于通过物理活化法制备的多孔碳具有均匀的孔径,因此适用于分离Co2 / N2,C(VCH4和其他混合气体),具有较高的分离效率;而通过化学活化法制备的多孔碳该方法具有较高的比表面积以及丰富的中孔,通常用于气体存储,电化学能量存储和非均相催化。

由于碳化时间,碳化温度,加热速率,生物质的类型和活化剂的选择是影响产率,比表面积,孔隙率,碳含量,多孔碳的微观结构和形态的重要因素,因此揭示了生物质的碳化和活化过程,化学反应的研究,产物的组成和结构以及活化成孔机理的研究,将为优化碳化和活化参数,制备高性能多孔碳提供理论依据。 Bmnmier等滤纸在氩气气氛下在高温下碳化,并且通过一步法制备具有高比表面积的多孔碳。为了探索滤纸基多孔碳的成孔机理,本课题采用热重质谱(TG-MS)技术监测滤纸的碳化过程。结果表明,滤纸碳化过程中会形成大量的气体产物,例如水蒸气和CO2。这些气体充当物理活化剂以参与高温下的造孔过程,从而促进多孔碳的形成。此外,邓等人。以KHCO为活化剂,以纤维素,半纤维素和木质素为原料,制备了一系列多孔碳材料。用热重-质谱法分析了生物质的碳化,热解和活化过程。研究表明,活化剂KHCO在200°C左右开始分解,并促进生物质的热解和碳化。当温度超过400℃时,KHCO分解为K,K2CO3,K20等产品,可以催化生物质的活化并产生H2和CH4产品。因此,人们可以选择合适的生物质原料,优化碳化和活化方法,并根据实际应用需求定向开发高性能的多孔碳材料。

纤维素基多孔碳的制备方法简单,性能优越,成本低,适合于大规模工业生产。在CO 2吸附分离中,纤维素类多孔碳具有吸附容量大,选择性高,结构稳定等优点。它是捕获二氧化碳的理想吸附剂。但是,与沸石,金属有机骨架和多孔聚合物等材料相比,纤维素基多孔碳具有较低的CO2 / N2吸附选择性,这也限制了其捕获CO2的效率。未来,通过修饰纤维素分子结构,优化碳化和活化参数等策略,在多孔碳中引入丰富的超微孔和杂原子,将有效提高纤维素基多孔碳对CO2的吸附和分离性能。


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