生物质碳气凝胶的研究现状及发展趋势

生物质碳气凝胶具有高孔隙率､大比表面积､突出的机械性能和非凡的导电性等优点,是全球绿色发展背景下的研究热点。对生物质碳气凝胶的发展历程､原料种类､制备过程､应用领域及未来发展前景等方面进行了综述。

甘蔗渣碳气凝胶负载纳米氧化锌的制备及其光催化性能研究

通过浸渍-煅烧法成功制备出一系列甘蔗渣纤维素基碳气凝胶(BCCA)负载纳米氧化锌复合材料(BCCA/ZnO),并用于降解甲基橙染料(MO)。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光漫反射(UV-Vis DRS)、N_(2)吸附-脱附等测试方法对制备的BCCA/ZnO进行表征测试。研究结果表明,BCCA具有三维多孔网络状结构,经醋酸锌溶液浸泡、高温碳化后,在其表面原位生成球状纳米ZnO颗粒。在模拟紫外光条件下,BCCA/ZnO具有良好的催化活性,当pH=11时BCCA/ZnO-3可以在80 min内对MO的降解率为99%。重复使用4次后,BCCA/ZnO-3在80 min内对MO的降解率为99%,仍然具有优异的催化效果,表明BCCA/ZnO-3具有较好的稳定性和重复使用性。同时,探究了光催化降解机理,发现·OH起主要作用,h^(+)起次要作用,而·O_(2)^(-)不起作用。

ZIF-67/氧化纳米纤维素衍生碳气凝胶的制备及其电化学性能研究

为获得具有优异电化学性能的三维网络结构碳气凝胶,以TEMPO-氧化纳米纤维素(TEMPO-oxidized nanocellulose,TOCNF)为基体,加入ZIF-67混合均匀后,通过定向冷冻干燥和一步碳化法制备ZIF-67/TOCNF衍生的氧化钴/碳(CoO/C)气凝胶。扫描电子显微镜观察发现,CoO/C气凝胶能够维持碳化前ZIF-67/TOCNF的原始结构,并且由ZIF-67衍生的CoO可均匀负载在碳骨架结构中,提供更多的反应位点;XRD测试结果表明ZIF-67/TOCNF气凝胶显示了接近纯ZIF-67的典型ZIF-67晶体的衍射峰,而归属于TOCNF的衍射峰被抑制。Co是通过ZIF-67的热分解得到的,高温碳化能够得到更好结晶度的Co/C复合材料;拉曼光谱分析表明CoO/C复合材料的石墨化程度较高;电化学测试分析表明CoO/C电极材料的双电层电容与其内部的三维孔结构密切相关,相比于其他碳化温度(500、600、800℃),当碳化温度为700℃时,CoO/C-700气凝胶电极材料具有较优的电化学性能,其比电容可达92 F/g(0.5 A/g),同时表现出较好的倍率性能和循环稳定性。

CoCuO_(x)/碳气凝胶的制备及光催化性能研究

水体中难降解有机污染物严重威胁人类健康,光催化法因其对有机污染物降解彻底而成为研究热点。采用一步法成功制备CoCuO_(x)/碳气凝胶(CoCuO_(x)/CA),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA/DTG)等手段对光催化剂的结构、形貌进行了表征分析,并研究了其光催化性能。考察了不同反应体系、降解时间、循环使用次数等因素对CoCuO_(x)/碳气凝胶催化性能的影响。结果表明,在模拟太阳光下,CoCuO_(x)/碳气凝胶能够快速活化H_(2)O_(2),120 min内对有机污染物亚甲基蓝、刚果红和苯酚的降解效率分别为95.8%,95.13%,83.85%;3次循环使用后,CoCuO_(x)/碳气凝胶的稳定性良好,对亚甲基蓝的去除率仍超过95%。自由基猝灭实验证明?OH是反应体系中的主要活性物种。

三维碳气凝胶材料的制备与应用研究进展

依据碳气凝胶制备原料的不同对其进行了分类,主要分为石墨基碳气凝胶、有机碳气凝胶和杂化碳气凝胶三大类.介绍了三维碳气凝胶的常用制备方法,主要包括溶胶–凝胶法、水热法、化学气相沉积法和冰模板法,简述了每种制备方法的优缺点,并分析了不同制备工艺对碳气凝胶材料结构和性能的影响.概述了碳气凝胶材料在吸油、储能、隔热、催化、吸波、光热转化和柔性传感器等领域的应用.碳气凝胶材料质轻、比表面积大、吸附容量高等优点,使其优于传统吸油材料;高导电性以及电化学性能稳定,可被用作超级电容器电极材料、燃料电池催化剂、催化剂载体材料和柔性传感器;超低的导热系数,使其具有优异的隔热性能;较高的阻抗匹配特性,使其能够作为高效的电磁吸波材料;宽的光吸收范围,使其在光热转化应用中具有良好的前景.分析了目前碳气凝胶材料制备和应用领域所存在的问题,基于此展望了其未来的发展趋势和方向,包括开发低成本、可再生的环境友好的前驱体材料,优化碳气凝胶制备工艺,缩短生产周期以及拓宽其高端应用领域.

改性碳气凝胶/石蜡复合相变储热材料的研究

将石蜡与墙体材料复合能降低建筑人居能耗,但其易泄漏的问题严重影响了复合相变储热材料的广泛应用,采用吸附能力强的碳气凝胶为吸附载体,有望解决复合相变材料容易泄漏的弊端。为进一步提高碳气凝胶吸附石蜡的性能,采用不同质量分数的三甲基氯硅烷对碳气凝胶表面进行改性,通过XRD、SEM与FT-IR等表征手段探究了碳气凝胶表面结构的变化规律。结果表明:改性过程中三甲基氯硅烷的—Cl—Si(CH_(3))_(3)基团能与碳气凝胶表面的—OH发生枝接反应,该变化丰富了试样表面—CH_(3)数量,改善了制品的憎水性与孔结构,提高了其吸附非极性石蜡的能力;当三甲基氯硅烷的质量分数为30%时,改性碳气凝胶具有最佳的吸附性能,充分浸渍后能吸附85.87%的石蜡。经200次熔融-冷凝循环试验后,复合样品不仅未发生明显的泄漏现象,而且相变温度和相变焓均未发生显著变化。该研究制备的复合相变储热材料具有优异的稳定性与良好的隔热保温性能,为开发新型墙体隔热保温材料提供了新的思路。

多孔氮氟共掺杂碳气凝胶的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池以其超高的理论能量密度,已成为最具发展潜力的新一代电化学储能技术,但硫正极存在电导率低、体积膨胀、多硫化物穿梭效应等技术瓶颈问题,制约了其实际应用。通过甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷的醛胺缩合和溶胶-凝胶化反应合成了席夫碱二氧化硅凝胶,经与聚四氟乙烯乳液冷冻干燥、热处理同步刻蚀二氧化硅以及碳化制备了多孔氮氟共掺杂碳气凝胶(NF-CA)。以NF-CA为载体制备的NF-CA/S正极材料表现出优异的循环性能和倍率性能,0.2 C循环初始放电比容量高达1322 mA∙h/g,1 C循环200圈可逆比容量可保持564 mA∙h/g,2C倍率下可逆比容量高达598mA∙h/g。

NiCo2S4/木材液化物碳气凝胶复合材料的制备及电化学性能

以木材液化物为前驱体原料,经凝胶、碳化、活化法制备的碳气凝胶(CA)为基材,通过两步水热法在其骨架表面原位负载NiCo2S4得到NiCo2S4/木材液化物碳气凝胶(NiCo2S4-CA)复合电极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附-脱附实验、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段来表征NiCo2S4-CA材料的物相结构和表面形貌,通过循环伏安法、恒电流充放电及电化学交流阻抗等测试方法研究其电化学性能,探究其电荷储存机理。结果表明:NiCo2S4纳米颗粒锚定在具有珊瑚网络结构的CA骨架表面,形成丰富的多级孔隙结构。CA的引入有利于NiCo2S4的良好分散,缓解其团聚问题,且不会改变NiCo2S4的晶体结构。NiCo2S4-CA3作为超级电容器电极材料表现出极好的电化学性能,其比容量最大值为1 040.2 F/g(1 A/g),较小的等效电阻为1.01Ω和良好的循环稳定性,经2 000次恒流充放电(10 A/g)循环后,保持着初始比电容的56.61%,优于纯NiCo2S4的47.33%。NiCo2S4-CA3复合材料在20 A/g超大电流密度的电容保持率高达74.34%,远高于纯NiCo2S4的57.65%,电荷储存动力学显示其电化学过程由表面电容控制和扩散控制过程共同作用。该合成工艺简单且成本较低,NiCo2S4-CA3作为超级电容器电极材料在要求高容量、大电流密度领域具有极其广阔的应用前景。

高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究

针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm^(-3))下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率<0.230 W·m^(-1)·K^(-1))。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000℃下等效热导率从0.224 W·m^(-1)·K^(-1)下降至0.158 W·m^(-1)·K^(-1),具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。

蔗渣纤维素基碳气凝胶制备及其吸附性能研究

以甲酸预处理所得蔗渣纤维素为原料制备改性纤维素基气凝胶,通过FT-IP、SEM、TGA和XRD对其进行结构表征和亚甲基蓝(MB)吸附性能研究,并与微晶纤维素为原料制备的微晶纤维素基气凝胶进行比较。研究表明,交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的加入,未能有效改善蔗渣纤维素基气凝胶(CA)对MB的吸附效果。对CA进行碳化得到蔗渣纤维素基碳气凝胶(PCCA),再对PCCA进行活化处理得到活化蔗渣纤维素基碳气凝胶(CCA),比表面积由CA的23.358m^(2)/g上升到541.699m^(2)/g;在反应温度为105℃、甲酸浓度为90%,反应时间为1h时,CCA在800mg/L的MB溶液中达到最高吸附量392.26mg/g,优于微晶纤维素气基凝胶的吸附性能,是一种性能良好、制备简单、经济环保的吸附剂,具有良好的应用前景。

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。

复合碳气凝胶的制备及其电化学性能

以间苯二酚、甲醛和生物质柚棉为原料,采用冷冻干燥及惰性气氛碳化处理相结合的方式,制备了复合碳气凝胶材料;分析了先驱液自生长时间对复合碳气凝胶比表面积、孔结构及微观结构的影响;采用恒电流充放电法、循环伏安法和交流阻抗法对其电化学性能进行了表征。结果表明,所制备的复合碳气凝胶的比表面积为323~410 m^(2)/g,孔容积为0.752~0.800 cm^(3)/g,呈现出明显的介孔结构;自生长时间为6 h时所制备的CA@PC-6复合碳气凝胶具有较高的比表面积和优良的电化学性能,比表面积为410 m^(2)/g,孔径为11.70 nm,电阻为0.704Ω,在电流密度0.5 A/g时比电容达到219.97 F/g。

西瓜皮基碳气凝胶新型肥对生菜品种大速生生长及营养指标的影响

为获得西瓜皮基碳气凝胶及西瓜皮基碳气凝胶新型肥对生菜品种大速生生长及营养指标的最佳添加量,以西瓜皮为材料,制备出西瓜皮基碳气凝胶及西瓜皮基碳气凝胶新型肥,研究不同比例碳气凝胶及新型肥的添加量对大速生植株株高、叶面积、叶片数、茎粗、根长、叶绿素含量等生长指标和鲜质量、可溶性糖、蛋白质、维生素C含量等营养品质指标的影响,进而筛选出碳气凝胶及新型肥促进大速生生长发育的最佳添加量。结果表明:施用西瓜皮基碳气凝胶和西瓜皮基碳气凝胶新型肥均可以促进大速生的生长发育,其中以添加4%西瓜皮基碳气凝胶和6%西瓜皮基碳气凝胶新型肥效果最好。本研究不仅可以提高西瓜皮的利用率,有效解决因西瓜皮丢弃、堆砌带来的环境污染问题,而且能降低化肥使用量,提高大速生的产量和营养品质,为西瓜皮基碳气凝胶新型肥对大速生生长发育的影响提供理论基础和参考。

改性西瓜皮基碳气凝胶吸附亚甲基蓝性能研究

为探究NaOH/H3PO4改性碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附性能,本试验采用化学活化法对西瓜皮基碳气凝胶进行改性处理,通过批量试验研究亚甲基蓝的溶液pH值、溶液初始质量浓度、凝胶吸附时间和凝胶投入量对NaOH/H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响。试验结果表明:改性碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量随pH的升高而降低,当pH=8时,改性碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附效果最好。适量延长凝胶吸附时间、提高溶液初始质量浓度、增加凝胶投入量可以改善改性碳气凝胶的吸附量。在染料溶液pH=8,初始质量浓度为50 mg/L,吸附时间12 h,凝胶投入量5 mg/mL的条件下,NaOH改性凝胶的吸附量达7.51 mg/g,H3PO4改性凝胶的吸附量达4.29 mg/g,其吸附量均高于未改性碳气凝胶吸附量,说明酸碱改性均能提高西瓜皮基碳气凝胶的吸附性能。

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。

纳米纤维素/碳纳米管碳气凝胶的制备及其电化学性能

纳米纤维素作为一种绿色无污染、来源广泛的生物质材料,在超级电容器电极材料领域具有极大的应用潜力,但其本身导电性能差,严重影响了其应用效果。笔者以硫酸盐漂白木浆为原料,采用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)氧化法制得了表面富含羧基(1.5506 mmol/g)的具有较高长径比的纳米纤维素(CNF)纤丝,并将纳米纤维素悬浮液作为多壁碳纳米管(MWCNT)的良好分散剂配置CNFs/MWCNTs悬浮液,将所得悬浮液经冷冻干燥和高温碳化制得CNFs/MWCNTs碳气凝胶,并结合热重曲线、拉曼光谱和扫描电镜等进行分析。结果表明:添加MWCNT后,气凝胶前驱体的热稳定性有明显的提高,在相同碳化条件下,CNFs/MWCNTs碳气凝胶的石墨化程度优于CNFs碳气凝胶。利用三电极体系,对比添加MWCNT前后碳气凝胶的电化学性能,发现添加MWCNT后的碳气凝胶工作电压从0.4 V提高到0.6 V,内阻由1.06900Ω降低到0.97531Ω,其比电容在电流密度为1 A/g的条件下由172.45 F/g增加到238.89 F/g。经过1500次循环后其比电容保持率由55.6%提高到85.4%,库伦效率维持在99.95%。该纳米纤维素/碳纳米管碳气凝胶是一种较为良好的超级电容器电极材料。

复合型碳气凝胶在应变传感器中的应用进展

碳气凝胶是一种具有三维多尺度结构的新型轻质多孔材料,其特点是高比表面积、高孔隙率、低密度、高耐热和导电性。当前,碳气凝胶在应变传感器、超级电容器、电磁屏蔽、吸波材料、隔热防火、高效吸附等领域有广泛的应用研究。文中介绍了碳气凝胶的制备方法,包括溶剂热还原法、冷冻干燥法以及模板法;综述了几种复合型碳气凝胶在应变传感器上的应用;对复合型碳气凝胶制备应变传感器的发展方向进行了展望。

木质纤维素基复合碳气凝胶的制备及其电化学性能

以纤维素纳米纤丝和多壁碳纳米管为主要原料,采用一步水热法、冰模板法冷冻干燥以及高温煅烧法,成功制得具有多级连通类木材管胞状孔结构的氮掺杂碳点的复合衍生碳气凝胶,并对其微观形貌、化学结构、比表面积和孔隙度进行表征。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试、交流阻抗测试和长循环测试等电化学表征手段分析其电化学性能。结果表明:碳气凝胶表面经高温煅烧得到大量氮、氧杂原子掺杂的碳微颗粒和碳微绒毛,提高了碳气凝胶的缺陷态结构含量和比表面积,其比表面积可达377.9 m^(2)/g;在三电极测试体系下,比电容可达121.8 F/g(测试电流密度为0.2 A/g,电压窗口为-0.2~0.8 V);在2 A/g的电流密度下,进行5000次充放电循环后,电容保持率可达131.7%。衍生碳气凝胶独特的微观形貌和高比表面积,为能量存储提供了更快速和便捷的电子/离子传输通道、优异的导电性和更高的比容量,为超级电容器等储能器件电极材料的设计提供了木基生物质资源利用的新思路。

铜盐辅助木质素基碳气凝胶的快速制备及其电化学性能研究

本研究提出了一种铜盐辅助纳米木质素基气凝胶的快速合成方法,实现了具有显著微孔特征和三维(3D)互联结构的碳气凝胶制备。以绿色低共熔溶剂(DES)为反应溶剂,原位添加铜盐催化剂,快速合成了纳米木质素基碳气凝胶前驱体(LRF),经过高温一步热解处理得到木质素基碳气凝胶(LRFC)。研究结果表明,铜盐的原位掺杂加快了胶体形成的反应速率,缩短了LRF的成胶时间。其中,Cu(NO_(3))_(2)的原位催化效果最好,可使得LRF凝胶点缩短至2.5 h;同时,其相应的碳气凝胶(N-LRFC)的微孔率高达94.44%,孔径集中分布在1 nm;在电流密度为0.5 A/g时,N-LRFC的比电容最高可达347.6 F/g,表现出优异的电化学性能,且在电化学过程中其扩散控制占主导地位。

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。