基于纤维素_木聚糖_木质素炭材料的电化学性能研究.pdf
《基于纤维素_木聚糖_木质素炭材料的电化学性能研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于纤维素_木聚糖_木质素炭材料的电化学性能研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 12 卷 第 2 期 新 能 源 进 展 Vol.12 No.2 2024 年 4 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Apr.2024 *收稿日期:2023-08-23 修订日期:2023-10-31 基金项目:季华实验室自立项目(X200191TL200)通信作者:李亚敏,E-mail:;谭 军,E-mail: 引用本文:李亚敏,王双,顾玥,等.基于纤维素/木聚糖/木质素炭材料的电化学性能研究J.新能源进展,2024,12(2):169-174.Citation:LI Yamin,WANG Shuang,GU Yue,et al.Electro
2、chemical performance of cellulose/xylan/lignin-based char materialsJ.Advances in new and renewable energy,2024,12(2):169-174.文章编号:2095-560X(2024)02-0169-06 基于纤维素/木聚糖/木质素炭材料的电化学性能研究*李亚敏,王 双,顾 玥,谭晓逸,谭 军(季华实验室,广东 佛山 528200)摘 要:生物炭材料在储能领域具有广阔的应用前景。为探究生物质原料对生物炭电化学性能的影响,以纤维素、木聚糖和木质素这三种常见的生物质模型化合物为原料,首先采用热
3、解技术在管式炉中分别制备出三种不同类型的焦炭,并利用热重分析生物质原料的热失重特性。实验发现,三种原料的热重/微分热重曲线存在显著区别。之后针对这三种焦炭的石墨化情况及其作为负极材料的电化学性能进行了系统研究。X 射线衍射测试结果显示三种焦炭的石墨化结晶非常相似。电化学测试结果表明,纤维素炭负极的储钠容量最高,且具有优良的倍率性能和良好的恢复性。关键词:生物质;热解;生物炭;电化学性能;储钠 中图分类号:TK6 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.2095-560X.2024.02.007 Electrochemical Performance of Cellulose/Xy
4、lan/Lignin-Based Char Materials LI Yamin,WANG Shuang,GU Yue,TAN Xiaoyi,TAN Jun(Jihua Laboratory,Foshan 528200,Guangdong,China)Abstract:Biochar materials have shown broad prospects in the field of energy storage.To explore the effect of biomass on the electrochemical performance of biochar,biomass mo
5、del compounds,including cellulose,xylan and lignin,were utilized to prepare three kinds of char through pyrolysis in tube furnace.Firstly,the thermogravimetric analysis of feedstocks was conducted.It showed that the thermogravimetry/differential thermogravimetry curves of the three raw materials wer
6、e significantly different.Then the graphitization of these three chars and their electrochemical properties as anode materials were systematically investigated.X-ray diffraction results indicated similar graphitization crystallizations among the three kinds of char.The electrochemical testing result
7、s demonstrated that the cellulose char as anode material exhibited the highest sodium storage capacity,excellent rate performance,and fine recovery ability.Keywords:biomass;pyrolysis;biochar;electrochemical performance;sodium storage 0 引 言 近年来,随着科技的不断进步,各种新型电子产品和能源设备不断涌现,人们对能源安全高效存储的需求大幅增加,因此开发各种新型储
8、能材料和储能器件变得尤为重要1-2。钠离子电池具有原料储量丰富、易获取、安全性好和能量密度大等优点,并且由于钠和锂之间相似的化学和电化学性质,使钠离子电池被认为是当前极具发展前景的下一代电池,可用于缓解由于锂离子电池的高需求所引起的锂资源紧张、原料价格高昂等问题3。由生物质制得的生物炭具有优异的物理化学性能,在电极材料和电极改性等方面具有广阔的应用前景,近年来得到了众多研究学者的青睐4-5。STEVENS 等6基于葡萄糖热解得到的生物炭材料制备钠离子电池的负极材料,可实现 300 mAh/g 的可逆钠离子容量。170 新 能 源 进 展 第 12 卷 KIM 等7以开心果的果壳为原料制备钠离子
9、电池碳负极材料,其放电容量可达 225 mAh/g。大量的研究成果表明,生物炭主要是作为钠离子电池负极材料参与电池的充放电过程,并能展现出优异的储能效果,为可持续能源的发展应用提供新的途径。生物质能是自然界中唯一含碳的可再生能源,具有原料易得、资源丰富和绿色清洁等优点,近年来引起人们的广泛关注8-9。生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。纤维素是由葡萄糖单元组成的线性大分子多糖。半纤维素是短链的杂多糖,组成半纤维素的单糖主要是葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和半乳糖等,常选取木聚糖为模型化合物以简化研究。木质素则是一种由对羟基苯基、愈创木基和紫丁香基组成的三维网状酚类聚合物。由此可见,生物质
10、的组分非常复杂。因此,深入揭示生物质原料组分的差异对相应生物炭产物结构和电化学性能的影响至关重要。本项研究选取纤维素、木聚糖和木质素作为生物质的代表成分,首先通过热解方法制备生物炭材料。热解是指在无氧或缺氧的环境下通过加热使生物质分解产生焦炭、生物油和气体的过程1,10-11,作为一种成熟的热化学转化利用方法,是常见的制备生物炭的技术手段。之后,对制备的三种生物炭进行一系列物理化学性质表征,特别对这些炭材料作为电池负极的储钠性能进行探究,发现纤维素炭的储钠性能最佳。本研究可丰富电化学器件中电极材料的来源,为开发生物质炭材料在能源存储领域的应用提供指导。1 实验部分 1.1 原料及生物炭材料的制
11、备 实验所用的三种生物质模型化合物,包括纤维素、木聚糖和木质素,购买自上海麦克林有限公司。在管式热解炉(合肥科晶有限公司,KSL 1700X)中制备不同的生物炭材料。首先在高纯氩气的氛围下对三种生物质模型化合物进行热分解,氩气的流速为 100 mL/min。热分解的升温曲线分为两段:第一段是从室温加热到 100,升温速率为 5/min,然后恒温 0.5 h 去除水分;第二段是以 10/min 的升温速率升温至 800,维持 1 h。随后,热解炉自然冷却至室温,取出黑色的固体,即为制备的生物炭材料。1.2 热重分析和 XRD 分析 采用热重分析仪(美国,TA 公司,TGA 5500)对三种生物质
12、模型化合物完成热重分析。载气是高纯氮气,其流速为 25 mL/min。热重分析的升温曲线与生物炭材料的制备相似,不同之处在于第二段升温曲线,热重分析仪以 10/min 的速率升温至900。实验记录并分析 100 900 阶段的生物质模型化合物的热分解特性。对生物炭材料进行 X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)(德国,Bruker 公司,D8 ADVANCE X)分析,检测其石墨化情况,采用 Cu K 射线,2 衍射角的测量范围为 5 60。1.3 电池的组装和测试 在充满氩气的手套箱中进行纽扣电池 CR2025的组装。电池组装所用的 1 mol/L 的酯类电解液购买自广东
13、多多化学试剂网,其由 NaPF6溶解在碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯混合溶液中(体积比为 11)得到。生物炭、导电炭黑和海藻酸钠按照 811 的质量比在乙醇和水的溶液中混合均匀,得到电极悬浆。导电炭黑和海藻酸钠购买自深圳冬夏时代有限公司。将悬浆均匀涂布在铜箔上,再在 80 的真空烘箱中干燥 12 h,得到的阳极集流器上生物炭的负载量约为 1.2 mg/cm2。在电池测试系统(武汉胜蓝电子科技有限公司,Land CT2001A)上对半电池的性能展开测试,使用的电压范围为 0.005 3 V。2 结果与讨论 2.1 热重分析 三种生物质模型化合物的热重分析结果如图 1所示。由纤维素的热重/微分热重(the
14、rmogravimetry/differential thermogravimetry,TG/DTG)曲线 图 1(a)可知,纤维素的热分解可以大致分为三个阶段。第一阶段在 100 300 区间,此处只有少量的重量损失,是纤维素玻璃化转变的阶段12。第二阶段为 300 380,此为纤维素热分解的主要失重温度区间,在此阶段大量挥发性产物释出。纤维素热分解有且只有一个微分热失重峰,出现在 348.5。第三阶段在温度高于 380 时,随着温度的升高,TG 和 DTG 值基本不发生变化,此区间主要发生的是第二阶段生成的固体残留物的进一步炭化12。从木聚糖的热分解曲线图 1(b)可以看到三个微分热失重峰
15、。第一个峰是由木聚糖侧链断裂引起的,第 2 期 李亚敏等:基于纤维素/木聚糖/木质素炭材料的电化学性能研究 171 峰值为 242.2。第二个峰主要源于木聚糖的热分解,是热解挥发物的主要释放温区,峰值为 283.4。当温度高于 350 时,主要发生木聚糖的炭化反应,继而形成焦炭,在此阶段出现一个较弱的峰,峰值为 372.3,这可能是某些芳香结构的产物进一步分解造成的13。木质素的热裂解发生在一个很宽的温度范围 100 600,峰值温度为 345。在木质素热裂解 DTG 曲线中图 1(c)还有一个峰存在,此峰值温度为 753.7,应该是残留的化学键强的有机重质组分的分裂降解导致的14-15。20
16、406080100(c)(b)TG/%-3-2-10 DTG/(%/)20406080100242.2 283.4 372.3 TG DTGTG/%348.5-0.6-0.4-0.20.0 DTG/(%/)(a)100200300400500600700800900406080100753.7 345.0 T/TG/%-0.3-0.2-0.10.0 DTG/(%/)图 1 TG/DTG 曲线:(a)纤维素;(b)木聚糖;(c)木质素 Fig.1 TG/DTG curves:(a)cellulose;(b)xylan;(c)lignin 图 1 中三种模型化合物的 DTG 曲线差异明显,说明其内
17、部组分、性质和结构等本质上的区别造成热分解过程的显著不同。值得一提的是,三种模型化合物在 800 之后几乎没有进一步降解。即当温度高于 800 时,模型化合物不再发生有机组分的降解和挥发性产物的释放。最终焦炭的产率分别约为 14.54%(纤维素)、22.37%(木聚糖)和 47.24%(木质素)。在这三种模型化合物的热分解中,纤维素和木聚糖裂解后残留的焦炭含量较低,归因于二者均是多糖聚合物,热解产生的挥发分所占比重较高。热解后焦炭产量最高的是木质素,远高于多聚糖热解产生的焦炭量。木质素自身含有大量的芳香环,是促使其转化成大量焦炭的诱因,也是其挥发产物释放量少的原因。2.2 XRD 分析 对三种
18、生物质模型化合物热解所得的焦炭进行XRD 分析,结果如图 2 所示。这三种模型化合物的衍射曲线相似,都有三个衍射峰且峰位置大致相同。在 2=23.7 处出现一个明显的衍射峰,根据以往的研究,其对应的是石墨(002)晶面的峰位16。另外两个峰的信号强度较弱且两峰之间有部分重叠,但仍可以判断出其位置大致在 2=43.1和 50.8 处。结合相关文献可知,43.1 可归属于石墨(100/101)晶面的衍射,50.8 则与石墨(004)晶面有关17-18。从上述实验现象得知,虽然三种模型化合物的组分和结构等方面差别很大,但热解后形成的焦炭的结构却是相似的,且石墨(002)晶面所占比重较高。除此之外,由
19、于这些衍射峰的信号强度弱且峰形极宽,可以确定由这三种模型化合物热解得到的焦炭结构是无定形的,只存在部分短程有序结构。102030405060150030004500木质素炭木聚糖炭50.843.12/()信号强度/a.u.23.7纤维素炭 图 2 纤维素炭、木聚糖炭和木质素炭的 XRD 谱图 Fig.2 XRD profiles of cellulose char,xylan char and lignin char 172 新 能 源 进 展 第 12 卷 2.3 电化学性能 在钠电池的研究方面,本工作侧重探究焦炭作为负极材料的电化学性能。对组装的半电池在0.005 3 V 的范围内进行测试
20、,结果如图 3 所示。对于长循环性能测试,前三圈的电流密度为 50 mA/g,主要是对焦炭进行活化。后续的循环都在 200 mA/g的电流密度下进行。如图 3(a)所示,纤维素炭材料前5次充放电的库仑效率依次为57.75%、95.03%、97.44%、88.03%和 99.11%;如图 3(d)所示,木聚糖炭材料前 5 次充放电的库仑效率依次为58.66%、96.04%、97.51%、85.03%和 98.34%;如图 3(g)所示,木质素炭材料前 5 次充放电的库仑效率依次为 22.39%、59.82%、68.96%、69.93%和90.62%。随着循环次数的增加,三种生物炭材料库仑效率呈现
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 纤维素 聚糖 木质素 材料 电化学 性能 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。