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實驗報告

新疆理化所利用棉花短絨制備出超高比表面積氮摻雜多孔碳材料

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點擊次數:  更新時間:2018-01-20  【打印此頁】  【關閉

新型碳材料的設計是當前材料科學研究的一個熱點,碳材料可廣泛應用于傳感、催化、儲能、環境修復等領域。傳統制備碳材料的原料都是以化石資源為主,但隨著化石能源的大量消耗,環境問題也變得日益突出。因此,開展以可再生的、廉價的、綠色環保的生物質為原料制備碳材料的研究具有重要的意義,也是可持續和綠色化學的目標和方向。

中國科學院新疆理化技術研究所資源化學研究室研究員張亞剛帶領其團隊立足于新疆資源轉化,以新疆豐富的棉花短絨為原料,設計開發了新型碳纖維和功能型氮摻雜多孔碳材料。在前期的工作中,張亞剛團隊設計開發了一種以棉花短絨為原料,環保、低成本制備碳纖維的新工藝。在制備碳纖維過程中,采用了較為環保的纖維素氨基甲酸酯工藝(CarbaCell),該工藝與傳統制備再生纖維素的方法相比,不僅生產流程更簡便,而且在制備再生纖維素纖維過程中更環保。相關研究成果發表在國際刊物ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2016, 4(10): 5585-5593上。

近日,張亞剛團隊以棉花短絨為原料,經纖維素氨基甲酸酯、溶液配制,碳化、活化等步驟制備出了氮摻雜多孔碳材料,該材料孔隙結構可調,具有超高的比表面積,比表面積達到3700m2/g,氮含量達到7.7%。同時,系統地考察了不同的碳化溫度對試樣得率、元素組成、形貌、孔結構的影響。

科研人員還對氮摻雜多孔碳的電化學性能和染料吸附進行了評價,結果顯示,以該材料制備的超級電容器,具有優異的循環穩定性,循環5000次后比電容容量仍可保持初始容量的93-95%。此外,在濃度是1摩爾每升的H2SO4電解液中比電容容量達282 F/g,在6摩爾每升的KOH電解液中比電容容量達289 F/g,同時具有優異的倍率特性。實驗結果表明,所制備的氮摻雜多孔碳具有優異的染料吸附性能,對亞甲基藍的吸附容量達到1551mg/g。

相關研究成果已申報中國發明專利,并于近期發表在國際刊物《材料化學雜志A》(Journal of Materials Chemistry A)上。這種以植物基可再生資源為原料、工藝簡單、結構可控、超高比表面積的氮摻雜多孔碳材料在能源和環境領域有著較好的應用前景,同時也為新型功能性碳材料的設計提供了一種新的設計思路。

該研究工作得到國家自然科學基金、“千人計劃”、新疆青年科技創新人才-杰出青年科學基金等項目的支持。

圖片關鍵詞

從植物基可再生棉花短絨資源設計制備結構可調超高比表面積新型氮摻雜多孔碳材料及其在污水處理和超級電容器領域的應用。

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