摘要
生物质衍生多孔炭材料因其成本低廉及绿色可持续特性在能量储存、气体吸附、废水处理等方面受到越来越多的关注。本文以壳聚糖和葡萄糖为碳源，通过水热碳化法构建几种氮掺杂多孔炭材料并将其做为吸附剂用于捕集二氧化碳和去除有机废水中的有机染料。具体而言，本文研究内容有以下三个方面： 首先，生物质水热预处理在温和条件下能有效地制备水热炭，而水热炭通常具有较低的比表面积，限制了其直接用于CO2捕集。本文以生物质衍生物壳聚糖为碳前驱体，通过水热预处理和KOH温和活化，制备出氮掺杂多孔炭。研究了水热体系中添加盐和活化温度对炭材料孔隙率的影响。较高的温度将大大提高孔隙率，而添加盐在600℃和700℃时似乎稍有不利，这可能是由于中孔中引入盐离子所致。重要的是，与不含盐的炭材料相比，二氧化碳吸附量要大得多，即AC-0-700和AC-5-700在25℃时的二氧化碳吸附量分别为2.97和3.45mmol/g，即使AC-5-700的表面积稍小仅有1944m2/g，这表明多孔炭的孔隙率不是决定吸收量的单一因素，在活化过程中，添加盐能有效地减少N含量的损失。在水热体系中，用添加剂盐在600℃下活化KOH得到的AC-5-600在25℃下的CO2吸收量甚至高达4.41mmol/g，这是由于高微孔和材料中氮官能团的协同作用。研究结果表明，壳聚糖炭是制备高比表面积炭的合适前驱体，为进一步寻找低成本、环保、高捕集能力的CO2固体吸附剂提供了重要的指导。 其次，我们以葡萄糖作为碳源，尿素作为氮源。同样采用水热的方法来制备水热炭，但改变在空气中氧化的温度，随后再通过与KOH在不同的碳化活化温度下制备出一系列不同的多孔炭材料。在所得的炭材料中，比表面积最高可达2832m2/g，孔体积可以达到1.48cm3/g。但结果表明，高的比表面积和高的孔体积比不一定就会有较高的CO2吸附量。而层次孔的存在以及较高的微孔含量则会对CO2吸附有着积极作用。制备的葡萄糖基多孔炭在0℃和25℃1bar条件下的CO2的吸附量分别为9.86mmol/g和5.55mmol/g。 最后，我们仍以葡萄糖作为碳源，尿素作为氮源，通过水热、空气中低温氧化和与KOH活化制得多孔炭。炭材料的孔隙结构和表面化学性质可以通过调节活化温度来调控。而未利用尿素改性的炭材料，表现出较多的介孔结构，且比表面积与掺氮的相比也较小。掺氮的比表面积最大可以达到3282m2/g,在室温条件下，氮掺杂多孔炭材料对罗丹明B的吸附量可以达到5181mg/g。
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