壳聚糖水热炭低浓度KOH活化制备多孔炭材料及其CO2吸附性能

摘要

水热炭化是一种类似煤矿化过程将生物质低能耗转化为炭材料的方法,但这种方法得到的水热炭比表面积较低,限制了其直接作为吸附剂在CO2捕集方面的应用.本文以壳聚糖为前体通过水热炭化联合低浓度KOH活化,制备出高比表面积氮掺杂多孔炭材料,采用氮气物理吸附仪、扫描电镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)研究水热炭化过程中熔融盐和活化温度对多孔炭材料孔结构及其CO2吸附性能的影响.结果表明升高活化温度能够有效增加孔隙率.水热过程中存在的熔融盐在600和700°C活化时会引起比表面积适度降低,这是由于存在的盐可能在水热炭中引入部分介孔结构.低温活化时水热反应中盐的存在可以增加多孔炭材料CO2吸附量.例如700°C活化水热炭化过程中不含盐样品AC-0-700和含盐样品AC-5-700在常温常压下的CO2吸附量分别为2.97和3.45 mmol/g,这一结论证实比表面积并非影响常压下多孔炭材料中CO2吸附量的唯一因素.水热反应中盐的存在能够有效固定水热炭中的氮元素减少其活化时的挥发程度.另外,虽然600°C活化样品AC-5-600的比表面积仅为1249 m2/g,但其常温常压下的CO2吸附量高达4.41 mmol/g,主要归因于高微孔率和适度氮掺杂的联合效应.