沥青基多孔碳的超电及电降解苯酚性能研究

摘要

煤沥青是煤炭深加工过程中产生的副产物，其储量丰富、价格低廉且含碳量高，常作为固体垃圾被焚烧，造成环境污染。如何实现煤沥青转化为高价值化学物质或材料具有非常重大的意义。因此，以煤沥青为原料，制备各种的碳素材料。不仅可以有效地降低生产成本，实现煤沥青高附加值利用，而且还可以减少对环境的污染。本文以煤焦油沥青为碳源，采用MgO模板法和KOH活化法制备出沥青基多孔碳，并对其超级电容器和电催化降解苯酚性能进行研究。
　　以煤沥青为碳源，三聚氰胺树脂(MF)为氮源，乙酸镁为MgO模板前体，KOH为活化剂，采用MgO模板法和KOH活化法制备了氮掺杂沥青基多孔碳(NPCs)。通过SEM、TEM、XRD、Raman、N2物理吸附、元素分析和XPS等方法表征NPCs的形貌、孔结构、表面性质和组成等理化性质。结果表明，NPCs具有高的比表面积(788～2133m2g-1)、丰富的多孔结构和氧/氮掺杂物(9.59～13.16wt％)。最佳的NPC700样品，在三电极系统中，1A g-1电流密度下，比电容为349F g-1。当电流密度增加到50A g-1时，仍具有优良的倍率性能(79.9％)。在两电极系统中，电流密度为1A g-1时，NPC700的比电容高达269F g-1。在1mol L-1Na2SO4电解液中，当功率密度为865W kg-1时，能量密度为21Wh kg-1。
　　以煤沥青为主碳源，采用不同树腊(三聚氰胺MF、聚乙烯醇PVA、间苯二酚RF)为辅碳源，乙酸镁和氯化镁为MgO模板前体，结合正交设计方法，通过原位MgO模板耦合KOH活化法制备出沥青基分级多孔碳(HPCs)。系统表征了HPCs的形貌、孔隙结构、表面性质和组成等理化性质，HPCs具有高的比表面积（805～1170m2g-1）和高的碳产量(20％～50％)。在三电极系统中，HPC-PVA-a、HPC-RF-a和HPC-MgCl2-a电极具有高的比电容和优异的倍率性能，即在1A g-1的电流密度下，比电容分别为350、321和329F g-1，当电流密度为50A g-1时，电容保留率为83.7％、84.1％和84.3％。在两电极系统中HPC-PVA-a、HPC-RF-a和HPC-MgCl2-a具有同样高的比电容，1A g-1的电流密度下，比电容为251、234和245F g-1。在1mol L-1Na2SO4电解液中，功率密度为876W kg-1时，HPC-PVA-a对称超级电容器的能量密度为22.3W h kg-1。
　　以上述NPC700、HPC-PVA-a和HPC-RF-a活性物质作为阴极，不锈钢网作为阳极，0.1mol L-1Na2SO4溶液为电解液，在电催化降解模拟苯酚废水的反应装置中对苯酚的降解效果进行研究。考察了电流密度(24、32、48mA·cm-2)、电解时间(0～120min)、阴阳电极间距离(2、3cm)等因素对苯酚降解效果的影响，并分析其降解机理。研究表明，当电流密度为48mA·cm-2，阴阳极间距离为3cm，模拟苯酚废水的初始浓度为100mg·L-1时，电解反应时间120min，NPC700、HPC-PVA-a和HPC-RF-a阴极对模拟苯酚废水的去除率可达到90.6％、96.3％和95.7％。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 沥青基碳材料概述

1．2．1 煤沥青

1．2．2 沥青基碳材料的研究进展

1．2．3 沥青基碳材料的应用

1．3 难降解苯酚废水的处理现状

1．3．1 苯酚废水的危害

1．3．2 苯酚废水的处理方法

1．4 煤沥青废气的治理

1．5 本课题研究目的、意义及内容

1．5．2 研究内容

第2章 实验部分

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 材料表征方法及原理

2．2．1 粉末X射线衍射(XRD)

2．2．2 比表面积和孔径分析(N2物理吸附)

2．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．4 扫描电镜(SEM)

2．2．5 透射电镜分析(TEM)

2．2．6 拉曼光谱(Raman)

2．3 超级电容器性能研究方法

2．3．1 电极的制备

2．3．2 超级电容器组装

2．3．3 循环伏安法(CV)

2．3．4 恒流充放电法(GCD)

2．3．5 交流阻抗(EIS)

2．4 电降解苯酚性能研究

2．4．1 电降解苯酚的装置

2．4．2 苯酚降解的可行性分析及效果分析

2．4．3 H2O2浓度的测定

2．4．4 ·OH的检测

第3章 3D氮掺杂沥青基多孔碳的制备及其超电性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．2 3D氮掺杂沥青基多孔碳(NPCs)的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 3D氮掺杂沥青基多孔碳材料的形貌与结构表征

3．3．2 3D氮掺杂沥青基多孔碳材料的电化学性能

3．5 本章小结

第4章 树脂与沥青复合基分级多孔碳的制备及其超电性能研究

4．1 引言

4．2 分级多孔碳的制备

4．2．3 三聚氰胺树脂与沥青复合基多孔碳(HPC-MgCl2-a)的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同树脂和氧化镁前驱体对沥青基多孔碳形貌的影响

4．3．2 沥青基多孔碳材料的电化学性能

4．4 本章小结

第5章 沥青基多孔碳阴极的制备及其电催化降解苯酚性能研究

5．1 引言

5．2 沥青基多孔碳阴极的制备

5．2．1 NPC700、HPC-PVA-a和HPC-RF-a电极片的制备

5．2．2 电催化降解苯酚实验

5．3 结果与讨论

5．3．2 沥青基多孔碳阴极降解苯酚的可行性研究

5．3．3 沥青基多孔碳阴极降解苯酚的影响因素分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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