水蒸气活化木材液化物碳纤维的孔结构与性能

来源 :北京林业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:yanhe1000
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为了揭示木材液化物活性碳纤维(WACF)孔结构的演变、形成机制及其电化学、吸附性能,本论文以杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)苯酚液化物为原料,以水蒸气为活化剂,在所定活化工艺条件下,探讨了WACF微孔、中孔的生成、演变及其形成机制;通过不同炭·活化过程,考察了碳纤维前驱体的微晶结构对WACF孔结构形成的影响及机理;通过对原丝进行空气预氧化处理,考察了原丝化学结构及碳纤维前驱体初始孔结构对WACF孔结构形成的影响及机理;同时,探讨了WACF的电化学性能、Cu2+和亚甲基蓝吸附性能与孔结构的对应关系。得到主要结论如下:(1)随着活化温度的升高或活化时间的延长,WACF的Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积和总孔容均呈增加趋势。不同活化温度域,WACF孔结构的生成、演化存在差异。如在650-800℃活化过程中,WACF主要表现为微孔的生成,当烧失率≥45%时,微孔孔容和微孔比表面积趋于稳定;在850-950℃活化过程中,WACF主要表现为微、中孔的扩大,当烧失率≥75%时,微孔比表面积急剧减少,小于0.8 nm的微孔瓦解;当烧失率>90%时,中孔比率最大约为49.5%,2.8-5 nm的中孔增多。(2)构建了“活化温度-活化时间”的水蒸气活化处理工艺平面图,应用不同活化温度、活化时间的组合可以制备出同一目标孔结构的WACF。(3)在水蒸气活化过程中,轴向微晶由于水蒸气侵蚀生成微孔结构;横向微晶由于碰撞生成一定孔结构,同时发生重排。有序化微晶结构利于水蒸气向轴向微晶内部扩散,并增强其扩孔作用。(4)随着预氧化温度增高,WACF的BET比表面积、总孔容增加显著。280℃预氧化处理促进了WACF中孔结构的形成,中孔孔容和中孔比率分别提高了72.2%和30.7%,这主要归结为预氧化原丝中较高的酚类C-O含量和由芳环侧基挥发及芳环间的重连引起的表面裂隙所致。(5)在1 M H2SO4电解液0.5 Ag-1电流密度下WACF的比电容高达280 F g-1, 10 A g1电流密度下电容保持率高达81.8%,3 A g-1电流密度下经过2000次充放电循环后比电容保持率高达99.3%。这主要基于WACF具有高的微孔比表面积(2300 m2g-1),以及3-4 nm中孔结构具有良好的互通性所致。(6)随着投料量增加,WACF对Cu2+的吸附率增加显著。投料量一定时,WACF对Cu2+的吸附率随活化时间延长逐渐增大,其主要原因在于表面酸性含氧基团(C-O、 C=O、COOH)数量的增多,以及BET比表面积的提高导致可供吸附活性位点数量的增多。(7)经预氧化处理制备的WACF的亚甲基蓝吸附值比未预氧化处理的活化样品提高了34.3%。其主要原因在于WACF中孔结构的增加。
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