生物质基碳气凝胶及其在储能器件中应用研究进展

为提高生物质基碳气凝胶的电化学性能,促进其在储能领域的产业化应用,对储能器件领域用生物质基碳气凝胶材料进行了系统评述。首先介绍了目前制备生物质基碳气凝胶的主要方法,即凝胶炭化法、水热炭化法和直接炭化法,并对比分析了3种方法的优缺点。分别总结了3类生物质基碳气凝胶在超级电容器和锂离子电池等储能器件中的最新研究进展,包括未经改性的纯生物质基碳气凝胶以及通过金属掺杂和杂原子掺杂改性的复合生物质基碳气凝胶,并重点阐述了其材料设计和微观结构与电化学性能之间的关系。最后在对研究现状进行深入分析的基础上,展望了生物质基碳气凝胶未来的研究方向和发展前景,指出提高原料利用率、改善整体环保性以及调控结构性能将会成为今后的热点方向,而生物质基碳气凝胶也势必将作为一种新型的绿色电化学能源材料而得到蓬勃发展。

生物质基碳气凝胶光催化剂的制备与性能研究进展

高效利用太阳光是新能源领域的重要研究方向,而光催化是一种利用太阳光在常温常压条件下实现降解污染物、还原二氧化碳等一系列困难反应的技术,具有廉价、环保、可持续等优点。在非均相光催化反应中,为防止固相的光催化剂在液相或气相反应环境中团聚或损失,需适宜的负载材料以保护和固定光催化剂。碳气凝胶由于兼具碳材料的导电性、化学惰性及气凝胶材料的高比表面积等特点,与光催化反应需求相适配,在光催化领域得到广泛研究。生物质基碳气凝胶以生物质材料作为前驱体,相比常规碳气凝胶具有环保、成本低廉、原料来源广泛等优势。总结了生物质基碳气凝胶的特点,并在此基础上讨论生物质基碳气凝胶作为一种新型碳气凝胶的发展现状。最后,通过已有研究证明了其作为光催化剂负载材料的可行性与优势,并对未来生物质基碳气凝胶的研究方向提出建议。目前的生物质基碳气凝胶已开始在吸附重金属、油水分离、柔性电容器、电磁波吸收等多领域发展。而在光催化领域,关于生物质基碳气凝胶负载光催化剂的方法尚处于初期,研究主要集中在生物质原料的选择、光催化剂的负载方法等方面。其中,以纤维素气凝胶制备碳气凝胶和以多孔性植物为前驱体制备碳气凝胶是2个主要研究方向。纤维素气凝胶与其他生物质如蛋白质、淀粉等提取物相比,具有原料来源广泛、含碳量高、更易构造出复杂凝胶网络等优势;而以多孔性植物为前驱体制备碳气凝胶的过程更快捷、简单,且生物质材料的天然复杂结构能成为碳气凝胶的天然模板,其中蕴含的多种P、S等元素也可为后续碳气凝胶的不同开发方向提供天然杂原子支持。截至目前,生物质基负载光催化剂的实际效果已得到验证。未来,生物质基负载光催化剂的研究可在现有成果的基础上,分析不同生物质前驱体的元素组成以及三维孔隙结构对负载的影响,并结合其他得以验证的光催化改性及负载方法。也可尝试充分发挥生物质的特点,如针对性地培育植物作为碳气凝胶的前驱体,以获得更好的碳气凝胶模板。最终,可进一步提高生物质基碳气凝胶负载光催化剂的催化能力、负载能力,并为廉价、环保的光催化系统提供新的解决思路。

FeS/壳聚糖基碳气凝胶复合材料的制备及对Cr(Ⅵ)的吸附

以壳聚糖为前体材料,通过溶胶-凝胶、冷冻干燥、碳化等方法制备FeS/壳聚糖基碳气凝胶复合材料(FeS/CA-0.5)。利用SEM、FTIR、XRD及XPS等方法对FeS/CA-0.5的微观形态和结构进行了表征,考察了FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的吸附性能,探究了反应机制。结果表明:FeS/CA-0.5保留壳聚糖基碳气凝胶的结构且成功分散FeS,比表面积大,具有超顺磁性;在100mL 100mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中投加0.05g FeS/CA-0.5,pH为2,吸附360min可达到平衡,FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的平衡吸附量可达173.84mg/g;吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型,颗粒内扩散模型表明FeS/CA-0.5对Cr(Ⅵ)的吸附是多步骤过程,整个吸附过程是自发吸热的;FeS/CA-0.5除铬机制主要是物理吸附、化学吸附及化学还原作用。FeS/CA-0.5在处理含铬废水方面有潜在应用前景。