木质素的高附加值应用研究进展

木质素是由3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子,含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。利用木质素的芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基和甲氧基等官能团,能制备出具有紫外吸收、生物可分解性、抗菌性、抗氧化、电子传递和吸附性等特性的高分子材料。笔者结合木质素和改性木质素的结构特点,阐述其在胶黏剂与聚氨酯等聚合材料、纳米复合材料、超级电容器电极材料、碳纤维、复合薄膜材料、金属离子吸附材料等领域研究现状,并对其在应用过程中存在的问题进行了分析。最后,阐述了木质素在未来木质素材料化制备高附价值产品应用研究的重点和方向,木质素在电磁波吸收材料、发光材料等新领域具有广阔的应用前景。     

活性炭作为电能储存与能源转化材料的研究进展

活性炭是一类传统的、可工业化生产的多孔质炭材料,由于它具有高的比表面积,可调的孔隙结构与表面化学性质、稳定的物理化学性质以及良好的导电性,因此,活性炭不仅在环保、化工、食品和医药等领域中得到广泛应用,而且具有储存电能和电催化转化燃料的潜力,在超级电容器和燃料电池等新型能源器件领域显示出巨大的应用前景。笔者综述了活性炭作为超级电容器和燃料电池电极材料的主要研究进展。在超级电容器方面,活性炭是作为储存电能的材料,主要综述了活性炭作为超级电容器电极材料的应用历史,气体活化法、化学药品活化法、碱金属活化法等常规方法制备的活性炭储存电能的性能,活性炭表面含氧、氮、硫和磷表面官能团对超级电容器活性炭电化学性能的影响规律,活性炭表面改性技术在超级电容器活性炭方面的应用。在燃料电池方面,活性炭是作为阴极反应的催化剂材料,主要综述了活性炭作为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池和微生物燃料电池阴极材料的研究现状,炭材料催化燃料电池的阴极反应,即氧气还原反应的表面结构特点与反应机理。通过分析总结,明确了活性炭作为新型能源材料的未来发展方向。     

纳米纤维素储能研究进展

纳米纤维素是一种来源于植(动)物或微生物的天然绿色纳米材料,拥有高表面化学活性、独特的网络结构、优异的力学强度和高比表面积等优良特性。通过层层自组装、原位化学聚合和电化学沉积等方式,纳米纤维素可与金属氧化物、导电聚合物和二维纳米材料等多种纳米粒子高效复合,形成不同微观尺寸和结构特性的纳米纤维素基多孔膜材料和导电复合材料,在金属离子电池、超级电容器等储能器件用隔膜和电极材料领域具有广阔的应用前景。根据材料来源、制备方法和纤维形态的差异,纳米纤维素可分为纤维素纳米晶体、纤维素纳米纤丝、细菌合成纳米纤维和静电纺丝纳米纤维4大类,目前用于储能材料的主要是前3类。这些纳米纤维素常与水混合成胶体状态,失水后借助氢键自组装(织)形成力学性能和热稳定性优异的薄膜,在电解质溶液中具有良好的保湿能力,易于离子和电子传输,是储能器件隔膜材料的理想选择。纳米纤维素丰富的活性基团、独特的网络结构和易于成膜的特性,可作为骨架材料与其他导电活性成分(主要包括碳纳米材料、金属氧化物和导电聚合物)复合制备储能用电极材料。纳米纤维素也可以直接炭化用于电极材料,其储能性能与石墨化程度密切相关,常通过掺杂改性、多元复合等方式提高储能效率和性能。现阶段纳米纤维素基电极材料有主要碳纤维材料、二维纳米材料、导电高分子材料和多元复合材料,尽管具有无可比拟的性能优势和乐观的应用前景,但纳米纤维素与电极活性材料之间的复合方式、界面相容性以及微观形貌调控等研究尚处于起步阶段,如何最大限度发挥纳米纤维素的尺寸效应和网络结构,构建具有更加精细的纳米体系及高转化效率的储能器件是下一步需要攻克的主要难题。本文在简要介绍纳米纤维素分类和性能的基础上,详细阐述其在储能器件隔膜材料和新型电极材料领域的研究现状,并进一步对纳米纤维素在该领域的发展趋势进行展望。     

纤维素导电气凝胶及其复合材料在超级电容器中应用的研究进展

概述了纤维素气凝胶通过炭化和复合导电物质实现导电功能的技术手段,及其在超级电容器中的应用研究现状。重点介绍了纤维素导电气凝胶孔结构及其复合结构对超级电容器电化学性能的影响,包括:依据电解液离子大小调控电极材料的孔结构和孔径分布,优化双电层电容行为;借助石墨烯等高导电性物质提高复合材料的导电性和比表面积,实现复合电极材料性能的增强及其在柔性能源储存装置中的应用;结合纤维素炭气凝胶优良的导电性与结构稳定性以及金属化合物高的赝电容和大的能量密度特性,实现复合电极材料中双电层电容和赝电容的协同增效作用。最后针对纤维素导电气凝胶及其复合材料在制备和超级电容器应用中面临的机遇与挑战,指出未来发展方向。     

生物质碳/MnO_2复合电极材料及其在超级电容器中的应用进展

近年来,生物质碳材料由于来源广泛、化学稳定性好、比表面积高、环境友好等优点已成为备受关注的电极材料,在能源转化和能量储存领域显示出巨大的应用潜力。但是生物质碳材料的理论比电容有限,且分散性差、机械脆性等缺陷也阻碍了其性能的完全实现,进一步影响了实际比电容。当其用于超级电容器时,受低能的静电作用力驱使,生物质碳材料基超级电容器的能量密度往往较低。将赝电容活性材料MnO_2沉积在生物质碳材料基质上,利用生物质碳材料与MnO_2的协同效应,可获得电导率、循环稳定性和电化学性能优异的复合材料。在介绍MnO_2结构和性质的基础上,对生物质碳材料/MnO_2复合电极材料的制备方法展开综合述评。此外,还总结了生物质碳材料/MnO_2复合物作为电极材料在超级电容器上的研究进展,并指出了其在应用过程中存在的问题。最后,就生物质碳材料/MnO_2复合物在高性能和柔性超级电容器未来应用方面进行分析,认为对生物质碳材料基底的改性、MnO_2纳米结构的调控和超级电容器结构的设计优化将是今后的重点研究方向。     

日本制纸有限公司拟利用木浆制造电动车蓄电池

综合TNW科技网站、澳大利亚Drive网站消息:日本制纸有限公司正在试验利用树木制造电动车蓄电池的方法,以代替锂离子电池。该公司希望能够利用柳杉等树种制成的木浆来制造纤维素纳米纤维,并将其精制到百分之一微米或更小,以制造超级电容器,作为电动车动力。日本制纸有限公司此前长期利用纤维素纳米纤维生产纸尿裤等家用产品随着纳米纤维备制技术的进步与突破,该公司认为可利用木质纤维素纳米纤维生产超级电容器,替代锂离子电池,并应用于汽车和智能手机等领域。     

一种新型储能设备——锂离子交换电池

美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出一种新型储能设备,可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。目前,在电池技术上主要采用的是锂电池和超级     

木质素基碳点和石墨烯量子点制备方法研究进展

碳点(CDs)和石墨烯量子点(GQDs)由于结构稳定、环境友好、水分散性和生物相容性良好、易于功能化改性和可光致发光等优点已成为备受关注的零维碳纳米材料,有望广泛应用于生化指示、生物医学、储能、显示器件和催化等前沿领域。近年来,相比于传统的化石燃料基化合物,来自可再生生物质的木质素及其衍生物不仅价廉易得、活性基团丰富,而且具有天然芳香结构,已成为CDs和GQDs的重要前驱体。但是,已有报道对木质素的解聚机制认识不足,这也逐渐成为制约木质素基CDs和GQDs性能提升的瓶颈之一。因此,必须阐明木质素在相关工艺过程中发生解聚的化学本质,并明确杂原子掺杂与木质素基CDs和GQDs的激发依赖发光行为的内在联系。笔者首先介绍了木质素基CDs和GQDs的制备方法发展历程和潜在应用,同时对其结构和性质等进行评述,重点讨论并总结了制备具有出色激发依赖发光行为的木质素基CDs和GQDs的技术难点,认为开发一类适用于普遍性木质素原料的高效环保解聚策略,以及揭示木质素基CDs和GQDs的杂原子掺杂与其激发依赖发光行为的关联机理将成为该领域今后的重点研究方向。     

纤维素基电极材料在柔性超级电容器中 的应用研究进展

纤维素是自然界中一种轻质、生物相容性好以及柔韧性强的生物高分子材料,在柔性超级电容器、生物传感器以及电磁屏蔽等领域得到了广泛应用。在柔性超级电容器领域中,纤维素基材料的多羟基结构是电解质离子传导的良好介质,有助于提高电极材料的电容特性以及循环特性,并且易与导电活性材料(如:石墨烯、碳纳米管、导电高分子)通过涂布、共混、层层自组装以及原位聚合等方法构建导电框架以制备柔性电极材料。综述了基于纤维素材料的柔性超级电容器电极开发的相关研究,重点介绍了基于不同纤维素基原料(原生纤维素、纳米纤维素以及纤维素衍生物)制备柔性超级电容器电极的方法以及所得电极的电化学性质,分析归纳了纤维素基材料在柔性电极中的主要作用:作为骨架支撑柔性电极材料、充当柔性基底(可兼有隔膜作用)、形成多孔结构传输电解质离子。最后,对纤维素材料在柔性电极材料领域的发展趋势进行了展望。     

氮掺杂竹炭基超级电容器电极材料制备与表征

以竹炭为前驱体、三聚氰胺为氮源、碳酸钾为预活化剂,采用两次活化工艺成功制备了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、比表面积及孔隙分析(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等测试方法对制备的电极材料的形貌、结构、化学成分进行表征。通过控制活化过程中的炭碱比(质量比)优化样品的电化学性能,结果表明:炭碱比为1∶1时制备的NC-1样品比表面积高达1 984.4 m2/g,平均孔径为1.26 nm,样品具有清晰的介孔以及内部蠕虫状的微孔。炭材料中氮元素和氧元素含量(质量分数)分别为2.20%和4.65%,有利于增加活性炭表面的亲水性和赝电容,从而提高其比电容量。经电化学性能测试,NC-1样品循环伏安曲线(CV曲线)具有良好的对称性,呈近似矩形;其中在低电势窗口出现明显的宽峰,表明充放电过程中材料表面的含氮官能团与电解液之间发生氧化还原反应,贡献赝电容。恒流充放电显示在1 A/g电流密度下质量比电容高达224 F/g,与未采用该活化工艺的样品比较提高了86.7%。在50 A/g电流密度下其质量比电容高达144 F/g,且在10 A/g下经5 000次循环充放电后仍可达到93%的初始电容保持率,显示了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料较优异的电化学性能和稳定的循环性能。     

糠醛渣多孔炭的制备及其在超级电容器中的应用

随着经济的发展和社会的进步,人们对具有长的循环寿命、高的功率密度和绿色廉价的能源设备的需求逐渐增加,基于生物质活性炭的超级电容器近年来备受关注。然而,生物质基活性炭的电化学性能仍然缺少竞争力,此外,对其微观结构的控制也是较大难题。笔者以糠醛渣为原料,KOH为活化剂,在氩气氛围下通过两步炭化的方法制备三维多孔炭材料,并将制备的多孔炭用做超级电容的电极材料。通过SEM、TEM、Raman、XPS、XRD等手段系统分析表征了所获多孔炭材料的形貌、结构、组成,并探讨活化剂的比例对糠醛渣多孔炭结构性能的影响。研究结果表明:当KOH和糠醛渣的质量比为3∶1时,所制备的多孔炭材料比表面积为2 164.3 m~2/g,具有良好的电容性能(当电流密度1 A/g时,比电容为235.6 F/g)、倍率性能和循环稳定性(当循环充放电10 000次后,比电容仍能保留96%以上)。本研究从生物精炼废弃物中制备了性能优异的超级电容器用活性炭,为降低高性能超级电容器成本,实现生物质的高值化应用提供新思路。     

木质素抗紫外辐射性能应用研究进展

天然木质素一般是由愈创木基、紫丁香基和对羟苯基3种基本结构单元通过不同的碳氧键、碳碳键等连接形成的复杂大分子聚合物。作为自然界中含量丰富的天然芳香类聚合物,木质素及其衍生物具有广阔的应用潜力。木质素中含有芳基、酚羟基、酮基以及羧基等官能团,赋予了木质素一定的抗氧化性与抗紫外辐射性能。研究证明,木质素无论在植物的生长发育还是后续利用中都展示出良好的抗紫外辐射能力。木质素作为一种天然的紫外线防护剂,其抗紫外辐射功能的开发与利用逐渐引起了研究者们的关注。笔者重点介绍了木质素抗紫外辐射性能在防晒产品中的研究进展及其应用现状,探讨了木质素的抗氧化性能对其抗紫外辐射性能的影响,并对当前研究中存在的问题进行了分析。最后,结合木质素结构特点,对其抗紫外辐射性能在防晒应用中的发展方向和前景进行了展望,为木质素高值化利用提供一定的参考。     

水蒸气活化制备超级电容器木质活性炭的研究

为了制备价格低廉、性能优良的超级电容器活性炭,以马尾松为原料,采用常规的水蒸气活化法制备了超级电容器木质活性炭。采用元素分析,N2吸附/脱附等手段分析了活性炭的元素含量和孔隙结构;采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等方法,分析了活性炭电极在以1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/乙腈为电解质溶液的超级电容器中的电化学性能,考察了活化温度、活化时间对木质活性炭电化学性能的影响规律。结果表明:随着活化温度的升高,活性炭的比电容量先增后降;随着活化时间的延长,活性炭的比电容量也呈现先增后降的变化趋势。在炭化温度900℃、活化温度900℃和活化时间1 h的条件下制得的活性炭比表面积高达1 647 m~2/g,总孔容积1.00 cm3/g;在5 m V/s的扫描速率下活性炭电极的比电容量最高,达到155 F/g,且倍率性能和循环稳定性良好,循环5 000次后比电容量保持率89%;其在有机电解液中的能量密度高达33.6(W·h)/kg。     

磷酸法活性炭的三聚氰胺表面改性及其电化学性能研究

为了考察磷酸法活性炭作为双电层电容器电极材料的可行性,通过浸渍三聚氰胺后在500、700、900℃下热处理的方法对活性炭进行了表面改性,分别得到改性活性炭AC-N-500、AC-N-700、AC-N-900,考察不同热处理温度对活性炭表面氮元素结合状态的影响,及其对磷酸法活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能的影响。采用氮气吸附、元素分析、X射线光电子能谱及电化学测试等方法分析表征活性炭的孔隙结构、元素组成、表面官能团存在形式以及电化学性能。结果表明:随着热处理温度的升高,改性活性炭氮元素含量逐渐下降,由AC-N-500的8.49%下降为AC-N-900的4.16%;三聚氰胺改性活性炭比表面积和总孔容明显降低。改性活性炭中氮元素主要以N-6(吡啶型)、N-5(吡咯型)、N-Q(季氮型)、N-X(氮氧型)4种形式存在;随着热处理温度的升高,N-6和N-5型官能团的比例略微减少并部分转变为N-Q。改性活性炭AC-N-700可制备出比电容达203 F/g(扫描电压1 m V/s)的活性炭电极材料,减小电极与电解液间的阻力有利于离子的渗入和电荷的传导,表明磷酸法活性炭具有作为双电层电容器电极材料的潜力。     

木质素微纳米球的制备与应用研究现状

在植物纤维原料中,木质素是仅次于纤维素的天然可再生资源,但由于结构复杂且不同类型木质素结构性能差异,其通常被认为是一种废料或低价值副产品。微纳米木质素是近年来兴起的新发展方向,可为木质素产品高值化利用提供一种新途径。木质素微纳米球是一种具有规整结构的微纳米木质素,其自组装制备方法主要有溶剂-反溶剂法、气溶胶的流式反应器法和界面细乳液聚合法。利用四氢呋喃、二氧六环和乙醇等溶剂对木质素或化学修饰木质素进行溶解,然后滴加反溶剂去离子水可获得木质素微纳米球,然而溶剂-反溶剂法获得的木质素微纳米球悬浮液在干燥过程中存在微纳米球团聚问题;气溶胶的流式反应器法能将木质素溶液直接雾化自组装成气溶胶;界面细乳液聚合法可使木质素分子在非共价自组装形成微纳米球基础上实现共价键结合。相比实心微纳米球,中空微纳米球拥有较高的比表面积。木质素微纳米球当前主要应用于药物载体、紫外防护和纳米填料等方面。采用木质素包载疏水药物,能提高药物在水溶液中的溶解性能,实现可控释放,延长作用时间,降低毒副作用;将木质素微纳米球用于光敏性农药的包载,能使其具有可控释放和抗光降解功效;将木质素微纳米球对酶进行包载,能使其具有较好的稳定性和催化活性。通过调控木质素自组装过程,可使其微纳米球具有相对亲水或疏水外表面,使微纳米球与相应亲水或疏水高分子聚合物共混时具有较强的分子间作用。此外,木质素微纳米球亦可用于吸附材料、聚集诱导发光纳米材料和锂离子电池电极材料等方面。目前,木质素微纳米球研究还处于起步阶段,其简单可行的可控构筑方法及其高值化应用领域需要进一步探索。界面细乳液聚合法能使木质素分子自组装过程中实现非共价键和共价键协同作用,且通过该方法可获得中空木质素微纳米球,为新型中空结构木质素微纳米球的开发提供了新方向;木质素具有自发荧光特性,且自组装制备微纳米球过程中木质素分子会产生J-聚集增强其荧光强度,为新型木质素基发光材料的开发提供了新思路。     

木基储能材料研究新进展

木材作为一种可再生的天然高分子材料,其特有的结构和理化性质,使木材及其衍生材料在清洁能源、柔性传感和催化工程等领域的应用研究层出不穷,引起了科研工作者广泛关注。除了资源丰富、绿色环保和可生物降解等特点,木材还具备一些独特的优势,如各向异性的分层多孔结构、良好的机械灵活性和可调谐的多功能性等,近年来在电化学能源存储领域表现出令人憧憬的应用前景。笔者从实体木材、木质纤维和木质纳米纤维这3种不同维度的木基材料出发,分别总结了其在储能领域最新研究进展,探讨了这些材料的结构特性与电化学性能间的关联响应机制。基于不同树种实体木材的结构差异,比较分析了直接炭化、炭化后再活化改性的实体木材储能材料性能特征及对电化学储能的影响规律,进一步讨论了实体木材一体化储能器件的思路与创新。在木质纤维储能材料方面,总结分析了以单根纤维及纤维聚集体为起始单元的不同储能材料的结构性能特点,重点探讨了在柔性电极材料方面的应用前景。基于木质纳米纤维天然可控网状结构优势,主要分析了纳米纤维炭气凝胶在储能材料领域的应用特点。最后,展望了木基储能材料所面临的机遇挑战,以及未来需要重点关注的研究方向。     

基于STM32的超级电容器管理系统研究

由于超级电容器额定电压低,在高压大容量应用场合需将超级电容器进行串并联使用,各单体电容器间压差直接影响着超级电容器的性能和寿命。基于上述原因提出STM32的超级电容器管理系统设计方案,使用隔离DC-DC进行均衡,通过低损均衡方式提高了超级电容器的储能效率和可靠性,通过3G网络与远程监控终端实现数据共享,集中实现对整个超级电容管理系统的实时监控。     

木质素基碳纤维研究进展

随着化石能源的日益短缺,以化石能源为基础的化学品的短缺问题也随之而来,从而利用生物质基材料补充石油基材料变得日益重要。由于木质素含碳量较高(55%~66%)、可再生、成本低廉,而且分子中含有大量的芳香基团,因此可作为碳纤维原料进行利用。归纳总结了国内外木质素基碳纤维的开发与应用,并对木质素基碳纤维的纺丝液制备工艺及预氧化工艺、碳化工艺以及碳纤维性能特征进行比较详细的阐述与探讨,同时指出木质素基碳纤维制备方法的影响因素及优缺点,并对碳纤维的研究和应用前景进行了展望,为科学、高效利用木质素资源提供参考。     

具有纳米结构的木材气凝胶基电极的制备及其电化学性能

超级电容器作为清洁可持续的储能设备,其电化学性能主要由电极材料决定,因此电极材料逐渐成为当前储能领域的研究热点。木材因其天然的多尺度微/纳米孔隙结构以及可再生、可生物降解等特点,逐渐被用于电极材料的研究。以巴沙木为基材,首先采用脱木素联合TEMPO氧化法将木材细胞壁分离具有纳米网络结构的木材气凝胶(TDW),然后将纳米纤维素分散的碳纳米管(CNT)悬浮液通过满细胞法浸渍到木材气凝胶中,冷冻干燥后在导管孔和细胞间隙中形成了连续的碳纳米管导电网络结构,最后进行聚吡咯(PPy)原位聚合,在细胞壁和导管孔中构建成具有纳米导电网络结构的TDW/CNT/PPy复合电极。电化学性能测试显示,由于在TDW的宏观孔隙中导电网络的构建,TDW/CNT/PPy的电化学性能明显优于TDW/PPy电极,而且随着碳纳米管比例的增加而增强,其中,TDW/CNT-2/PPy在1.0 mA/cm²扫描速率下的比电容达到389 F/g、面电容为10.5 F/cm²,而且在10 mA/cm²扫描速率下经过10 000次循环后的电容保持率为95.1%。本研究通...     

二次水蒸气活化制备离子液体超级电容器活性炭的研究

为改善工业物理法产普通活性炭的孔隙结构,提高其作为离子液体超级电容器电极材料的性能,采用水蒸气活化法,分别对煤质活性炭(CAC)、椰壳活性炭(CSAC)和竹基活性炭(BAC)进行二次活化,探讨了工艺条件对活性炭孔隙结构的影响,并利用恒电流充放电、循环伏安曲线和交流阻抗等方法对3种活性炭制作的双电层电容器的电化学性能进行了研究。结果表明:二次水蒸气活化能够显著提高活性炭中孔孔容,从而大大提高吸附性能,3种活性炭的碘吸附值、亚蓝吸附值均相比原料有较大提升;二次水蒸气活化对CSAC的孔隙结构和比电容量影响最显著,二次活化椰壳活性炭的BET比表面积可达1 972 m2/g,电流密度0.5 A/g时,超级电容器的比电容量可达106 F/g,是原料(43F/g)的2.5倍。