微米尺寸球形炭的纤维素催化水热炭化制备及结构调控

【摘要】炭微球不仅因其具有高强度、高热阻、低密度等优良特性,被广泛应用在催化剂载体、润滑剂和耐磨材料等领域之中,也因其具有特殊的形貌结构和丰富的表面含氧官能团等性质,在对污水中的重金属以及大气污染物的吸附分离等方面发挥了至关重要的作用,所以受到了学术界和工业界的普遍关注。以往,制备炭微球的主要原料多选用天然沥青和稠环芳烃类化合物,近些年的研究也是以糖类化合物居多,鲜少有人将生物质材料中的主要组分纤维素作为原料通过一步反应直接制得可控的炭微球。因此,如何扩展炭微球的制备原料；如何通过优化制备方法,制备出生产成本低、高效快速,绿色的炭微球并对其进一步功能化有着重要的理论意义及潜在的应用意义。本文基于国内外对炭微球制备的研究成果,以及本课题组在炭微球控制制备方面所取得进展,旨在以自然界中储藏量最大的碳水化合物纤维素为原料,采用环境友好的水热炭化合成方法,制备出新型的炭材料-炭微球。研究中利用扫描电子显微镜,场发射电子显微镜,红外光谱分析,X射线衍射,光电子能谱,紫外-可见分子吸收光谱等分析方法对所制备的炭微球的粒径、形貌、化学结构进行表征。本文首先对炭微球的形成机理、原料的选择、制备的方法以及应用研究进展进行了综述,在此基础上介绍了本课题的研究背景,方案,内容,创新点以及主要的研究方法。以纤维素为原料,通过柠檬酸催化经水热炭化合成法制备出高分散微米级的炭球。炭微球的控制制备可通过改变水热反应温度、时间和柠檬酸的浓度进行调节。在反应温度240℃,时间12h和柠檬酸质量浓度为2.5wt%的条件下,制备出球形度好,表面光滑、粒径在0.5-5μm之间的炭微球。炭微球具有脂肪族结构且表面含有丰富的含氧官能团。机理分析表明：炭微球的形成经过了纤维素的水解、脱水、聚合和芳构化四个过程。将所制备的炭微球负载银离子,当硝酸银溶液的浓度为0.08mol/L时,炭微球的载银量达到48.67%,并显示出了良好的抗银流失性能。表明炭微球表面含氧官能团与银离子之间进行了络合反应形成稳定的化学键。以纤维素为原料,丙烯酸作为酸催化剂和自组装剂,水热炭化合成法制备出花形炭微球。考察了反应温度、反应时间和丙烯酸的浓度对炭微球的形貌、粒径和分散度的影响。结果表明,反应温度影响花形炭微球的形貌和分散度,反应时间决定花形炭微球的形貌和粒径大小,丙烯酸的加入量可控制炭微球从光滑表层转变成为花形结构。表征结果显示炭微球的表面羧基官能团的含量主要由丙烯酸浓度和反应温度决定。花形炭微球去除水溶液中Cu(Ⅱ)测试结果表明：Cu(Ⅱ)的吸附量最高可达165mg/g,吸附曲线符合Freundlich吸附。以纤维素为原料,采用水热炭化合成法,通过加入硫酸作为催化剂和改性剂制备微米级表面光滑的炭微球。反应时间,温度和硫酸浓度均对炭微球的形貌、粒径大小和分散度具有影响。当硫酸的质量分数从1wt%递增至6wt%时,炭微球的粒径从2μm增大至5μm,炭微球表面的磺酸基含量也从0.653mg/g增加到1.951mg/g。将此炭微球作为纤维素微波水解的固体酸催化剂,其还原糖得率可达77.3%,并且此固体酸可回收重复利用。.以纤维素为原料,F127作为软模板剂,采用水热炭化合成法,制得具有介孔结构且形貌和孔隙结构可控的炭微球。炭微球的直径大小可以通过F127剂量的不同进行调节,炭微球的形貌和孔隙结构可通过改变炭化温度进行改变。实验结果表明,当F127的添加量从0.5g增加至1.5g,炭微球的粒径从2gm降至200nm。炭微球的孔径大小则随着炭化温度的升高从2.92nm增大到3.62nm,所制备的炭微球在炭化温度为900℃时,其最大的比表面积可达889.98m2/g,孔容达到0.6087cm3/g。此外,炭化后的炭微球表面官能团几乎全部消失。
【作者】赵莹；
【导师】刘守新；
【作者基本信息】东北林业大学，林产化学加工工程，2014，博士
【关键词】纤维素；水热炭化；催化；炭微球；

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