木质素磺酸盐(生物炭动态)

Posted 2023-05-29

篇首语：丈夫欲遂平生志，一载寒窗一举汤。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了木质素磺酸盐(生物炭动态)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

木质素磺酸盐(生物炭动态)

01载镧铁(氢氧)氧化物/蒙脱土可成型生物炭用于废水中的磷高效去除：过程和机制

磷的减排和资源化利用意义重大，生物炭功能化改性可大幅提升其吸附固持能力。而规模化回收依然是阻碍可持续发展的技术瓶颈，针对生物炭功能化成型设计尚十分鲜见。本研究开发了一种新型可成型镧铁双金属氧化物/蒙脱土负载的秸秆多孔炭(LaFe/MB)制备方法，适合产业化废水中磷的高效吸附。

图1 (a) LaFe/MB 简易制备工艺流程图及除磷机制，(b) La0.3Fe0.1/MB扫描电镜，(c) La0.3Fe0.1/MB透射电镜，(d) La0.3Fe0.1/MB的元素面扫描图谱

研究重点

本研究使用蒙脱土作为粘结剂，增加了颗粒状生物炭的尺寸，Fe的引入有效增强表面电荷，促进La的均匀分散，这是选择性去除磷酸盐的关键。LaFe/MB具快速的磷素吸附动力学和较高吸附容量(52.12 mgP g-1)，且优于现有其他同类型炭基吸附剂。经4个循环吸附-解吸过程，LaFe/MB均可再生，且能保持初始吸附量的76.7%。该材料水力持久强度保持率达91.6%，于实际废水处理中具较高实用性。在3 ~ 9的较宽pH范围内，静电吸引、表面沉淀、配体交换和内球络合是磷酸盐吸附固持的主要机制。

图2 (a) 在pH=7.05条件下共存离子对La0.3Fe0.1/MB吸附磷酸盐的影响，(b) 磷酸盐的吸附-解吸循环实验，(c) 直径为4 mm的吸附剂吸附磷素前后的力变化，(d) 废水中磷酸盐的吸附能力

图3 (a) La0.3Fe0.1/MB的拉曼图，(b)吸附P后La0.3Fe0.1/MB的拉曼图,(c) La0.3Fe0.1/MB吸附P前后的x射线光电子能谱:全谱测量扫描，(d) 吸附P后La0.3Fe0.1/MB的P 2p元素扫描，(e) 和(f) La0.3Fe0.1/MB吸附P前后的O 1s元素扫描，(g) La0.3Fe0.1/MB吸附P前后的Fe 2p元素扫描，(h) La0.3Fe0.1/MB吸附P前后的La 3d元素扫描

研究发现

热力学分析揭示了炭材料吸附的可行性和自发性。基于近似光谱能量分布分析，高分布频率有助于高效除磷，载Fe/La氧化物将引入更多的高能吸附位，从而加强P与LaFe/MB的相互作用。这项研究为LaFe/MB在废水深度除磷方面的应用提供新的思路，对于推进科学问题和实际工程应用具重要意义。

研究结论

通过在炭/纳米蒙脱土材料表面原位预浸渍镧/铁氧（氢氧）化物，制备了新型可成形多孔颗粒生物炭吸附剂（LaFe/MB）。

在实际废水运行中，LaFe/MB具出色的水力持久强度（达91.6%），抗压能力提高1.66倍，表现出良好的工程应用潜力。

LaFe/MB具较高的吸附容量(52.12 mg P g-1)，经4次吸附-解吸过程，吸附效率保持在76.7%，且LaFe/MB对磷素的吸附是自发吸热过程。

炭材料的多孔结构有益于双金属铁镧氧（氢氧）化物的负载，提升磷素固着力及强度稳定性。

本工作为LaFe/MB的再生并实现磷的回收提供新的设计思路，为有效缓解水体富营养化，实现磷资源循环利用提供新策略。

02木基生物炭作为高负载/高性能超级电容器的自支撑型厚电极

开发具有商业级活性质量负载（>10 mg cm-2）的电极对于超级电容器的实际应用至关重要。然而，高活性物质负载通常需要较厚的活性物质层，这严重阻碍了电极内部离子/电子的传输，从而导致较差的电容性能。

南京林业大学何水剑/蒋少华教授联合课题组与长春应用化学研究所陈卫研究员课题组、加拿大滑铁卢大学吴一民教授课题组、五邑大学杨为森博士课题组合作设计了一种椴木衍生的质量负载约40 mg cm-2、厚度约为800 µm的自支撑电极。

研究设计及研究发现

首先，通过甲酰胺溶剂热处理椴木从分子水平上为椴木基质接枝了丰富的含N/O的官能团，在碳化后制备了N/O共掺杂的厚电极。接着通过KOH活化改善了电极的孔特性，并为电极引入了更多含O基团。所制备的厚电极具有导电性良好的三维骨架、丰富的N/O基团以及有效的孔结构，这有利于离子/电子的传输，从而提高电极的电容性能。

这项工作中制备的生物炭基自支撑厚电极在电流密度为2 mAcm-2时表现出高达5037.5 mF cm-2/72.5 F g-1/63.0 F cm-3的面积/质量/体积比电容，且当电流密度增至500 mA cm-2时仍有76%的电容保持率。优化后的对称超级电容器器件可为典型的电子设备如由34个小灯泡并联组成的“NJFU”标志、风扇以及电子表供电，展示了其实际应用潜力。这项工作中设计的高活性物质负载的生物炭基厚电极缩小了木基超级电容器基础研究与实际需求间的差距。

图1.椴木衍生的N/O共掺杂高活性物质质量负载厚电极的制备示意图

图2.电极的电容性能（a：FA-OC与FA-OC1/2/3电极在三电极体系中的倍率性能；b：FA-OC2//FA-OC2对称超级电容器器件（双电极系统）示意图；c：FA-OC2在双电极体系中的倍率性能；d：孔结构和杂原子掺杂对电容性能的增强机理示意图）

图3：FA-OC2//FA-OC2对称超级电容器器件的实际应用示意图（三个器件串联可以点亮a：由34个小灯泡并联组成的“NJFU“标志；b：小风扇；c：电子表，右侧为其运行时间）

研究结论

这项工作开发了一种由椴木衍生的高于商业级活性质量负载的自支撑厚电极（~40 mgcm-2，~800 μm）。

完整的自支撑结构、导电性良好的三维骨架、适量的N/O掺杂以及分级孔结构协同改善了电极的电容性能。

这项工作设计的木基厚电极在三电极系统中展现出的比电容为6538.5 mF cm-2（2 mA cm-2）与3821.2 mF cm-2（500 mA cm-2）。

这项工作中组装的对称超级电容器可实现的最大比电容与比能量密度分别为5037.5 mF cm-2与0.65 mWh cm-2。

这项工作基于木质原料，开发了高于商业级活性物质负载的高电容性能厚电极，丰富了木质原料在能源相关领域中的应用。

03在酸性介质中高效析氧的生物炭气凝胶电催化剂

研究设计

以木质素为主要研究对象，利用海洋植物分子的“蛋盒”结构，进行限域，诱导形成木质素-海藻酸盐水凝胶，并通过离子置换、冷冻定向、原位碳化的策略，制备了具有高催化活性的生物炭气凝胶。经高温热解，木质素磺酸盐中的硫原子被选择移除，使得炭体表面上形成了丰富的缺陷位点。

图 1 .生物炭气凝胶的制备示意图

研究发现

在结构重构过程中，对碳层和钌中心的微环境进行了优化调整，合成了负载Ru/RuS2异质结的缺陷碳气凝胶。异质结与缺陷位点的协同作用，促进了界面电荷的传输。该催化剂在0.5 M H2SO4的溶液中，实现10 mA cm−2的电流密度时，仅需要228 mV的低过电势，并且在12000 s的时间仍展现出较高的循环特性。

图2. 生物炭气凝胶电催化剂的性能

由于海藻酸盐和木质素磺酸盐的自组装，形成的复合气凝胶呈现出2D/3D互穿结构。金属钌与不同种类前驱体的配位提高了气凝胶的稳定性。通过高温热解，构建了Ru/RuS2异质结，并获得了丰富的碳缺陷位点；同时炭气凝胶的比表面积进一步增加，以及内部的微纳孔隙得到了优化，因而提高了电解质的输运效率。该研究发展了缺陷与异质结协同增强界面相互作用的方法，构建了高性能的异质炭气凝胶电催化剂，实现了生物质的高效高值利用。

图3.生物炭气凝胶的结构形成分析

研究结论

利用木质素磺酸盐和海藻酸盐为双碳前驱体，制备了Ru/RuS2负载的炭气凝胶。

在高温处理下，硫原子的选择去除，使得炭气凝胶表面上形成了大量的缺陷位点。

异质结与缺陷碳协同增强了传质效率，在电流密度为10 mA cm−2时，仅需228 mV的过电势。

生物炭气凝胶内在的2D/3D结构有助于提升酸性介质中的催化活性及稳定性。

为合成高性能的酸性OER催化剂开辟了一条全新路径，同时实现了生物质的高值转化。

以上内容均来自《BIOCHAR》期刊，想了解更多内容

可登录期刊网址：

https://www.springer.com/42773