魔芋葡甘聚糖(KGM)衍生物的合成及其储氢材料的探索研究

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在全球能源形势与环境问题的双重压力下,世界各大经济体都努力寻求清洁、环保、高效且可持续的新能源。其中以风能、潮汐能、地热能及氢能最受能源公司和各个国家能源部门的青睐。相比其他几种能源,氢能以其高效、清洁、来源广泛且供应稳定受到各研究机构的特别重视。氢能的规模化应用,必须首先解决氢气的制备,存储以及能量转化,在氢气制备和燃料电池技术都日趋成熟的今天,氢气存储成为限制氢能使用的唯一技术瓶颈。世界众多研究机构都投入巨资解决这一问题。回顾现有较成熟的储氢技术,由于氢自身的特殊性质,存储方式虽然多样化,但是却没有一种方式能够达到氢能大量应用的目标。因此,本研究从探索的角度出发,试图以天然高分子为基础材料,通过改性或者修饰制备出一种储氢材料,为储氢材料的研究领域提供一种全新的思考角度。   本研究选取魔芋葡甘聚糖(KGM)作为基础材料,以吡啶为催化剂,制备出粉末状的苯酐酯化魔芋葡甘聚糖(PKGM)。通过单因素实验,获得了一系列不同取代度的PKGM,采用了多种现代分析测试手段分析了该改性产物的各种性能,结果表明:制备出的PKGM随着取代度的提升,表观形貌出现越来越多的粗糙结构,非晶态现象更加明显,红外图谱出现了明显的苯环特征吸收峰,对应的羧基特征峰也有较大程度的增强,分子量也有较大比例的下降,约为天然KGM数均分子量的10%-50%,热稳定性也有所下降,从210℃下降至140℃。比表面积(SSA)有一定的增加,较KGM增加50%左右。在此基础上进行分析比表面积发现其不能达到测试单位所要求的氢气吸附材料对比表面积(SSA)的要求(400-600 m2/g),未能进行相关实验。同时对改性魔芋葡甘聚糖(PKGM)进行多种溶剂的溶解实验表明,其不具备在任何一种常规溶剂中良好的分散,因此无法进行高分子溶液-金属离子络合试验。在进行PKGM-金属离子吸附的试验中,发现其对金属离子表现出了较好的吸附性能,因此尝试用PKGM吸附金属离子的方法与金属离子结合以增加氢气吸附位点。对于PKGM吸附金属铜离子,Cu(Ⅱ)离子去除率达到80%以上,同时吸附量也有16mg/g以上,但最终的PKGM-Cu(Ⅱ)络合物的比表面积(SSA)分析表明其仍旧不能达到测试单位所要求的氢气吸附材料对比表面积的要求。   在对以上研究进行总结之后,本研究将关键问题归结为对天然高分子的单纯改性不能够改变高分子比表面积小,空隙率差的特性。最终选择了以碳纳米管作为支撑,将天然的魔芋葡甘聚糖(KGM)及改性魔芋葡甘聚糖(PKGM)涂覆到修饰过的多壁碳纳米管(MWCNTs)形成所谓的PKGM-涂覆碳纳米管复合材料(PKGM-c-MWCNT composite)表面上以改变他们的比表面积。研究结果表明,对于CO2和氮气的吸附,PKGM-涂覆碳纳米管复合材料(PKGM-c-MWCNT)的吸附性能有比较大的提升。受到本校没有氢气吸附设备和其他实验室设定条件的限制,氢气的吸附试验未能得以进行是本论文最大的遗憾。
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