木质素基碳材料的制备及其析氧反应和超级电容器的性能研究

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中文摘要：木质素基碳材料具有化学性质稳定、酸碱度适用范围较大、导电性良好、比表面积高等特性，有利于分散负载的活性组分，使其成为一种非常有潜力的催化剂载体材料。本文围绕可再生能源的贮存和利用问题，提出一种简单制备木质素基碳材料的策略，并将所制备的木质素基碳材料作为电极材料应用于析氧反应（OER）和超级电容器，主要包括以下三个部分：首先，酶解木质素通过定向化学改性修饰后，采用静置沉淀法合成了木质素基-铁钴超分子前驱体EHL-COOH-FexCoy，再对其进行高温煅烧后得到一系列形态结构可调控的双金属基功能化氮掺杂木质素基碳材料FexCoy@NCa-b-X。采用SEM、TEM、HR-TEM、XRD、XPS、ICP等表征分析金属比例、煅烧温度、金属与木质素载体比例、掺氮量等制备条件对FexCoy@NCa-b-X材料OER性能的影响。羧酸化木质素的多孔结构以及在碳化阶段形成良好的石墨化结构，可提供良好的导电性，且有效的分散金属颗粒防止团聚。结果表明，在碱性溶液中，当煅烧温度为700℃时，Fe2Co6@NC-700对OER的活性最高，在10mA/cm2时表现出最低的过电势为270mV，最低的塔菲尔斜率为85mV/dec，并且在循环80000s后，其过电势基本保持不变，稳定性较好。该方法不仅将生物质废弃物木质素“变废为宝”，同时也为电解水制氢的新能源产业中贵金属催化剂的替代提供解决方案。其次，利用羧酸化木质素与金属离子配位后形成木质素基-铁镍超分子前驱体EHL-COOH-FexNiy，然后与尿素共掺杂经高温煅烧后得到双金属基功能化氮掺杂木质素基碳材料Fe4Ni4@NC-b-X。研究了煅烧温度、掺氮量、金属比例等制备条件对木质素基非贵金属碳材料OER性能的影响。与单金属木质素基碳材料相比，FeNi双金属木质素基碳材料能够有效提高OER的催化性能。在1MKOH溶液中，电流密度达到10mA/cm2时，Fe4Ni4@NC-700的过电势仅为214mV，塔菲尔斜率为80mV/dec，并且在循环150000s后，过电势仅略有增加。结果表明Fe4Ni4@NC-700有望代替Ir和Ru等贵金属成为新型的析氧电极材料。最后，采用木质素磺酸钠（LS）和尿素分别作碳前体和氮前体制备含氮分级多孔碳（LSNC-X）。利用碳化前的热稳定预处理以防止碳材料聚集，并通过调控氮前驱体、煅烧温度、掺氮量以及木质素前驱体等改善碳材料的结构性能。LS与尿素质量比为1∶1、煅烧温度为700℃的LSNC-700电容性能最佳，在1A/g时比电容为253.2F/g，高电流密度20A/g下也保持216.4F/g的比电容，具有83.3%的良好倍率能力，3000次循环后的电容保持率为97.9%，循环稳定性较好。

作者：

吴林军

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关键词：

木质素木质素基碳材料析氧反应超级电容器化学改性

授予学位：

硕士

学科专业：

化学工程

导师：

林绪亮、周沛

学位年度：

2021

学位授予单位：

广东工业大学

语种：

中文

中图分类号：