生物材料的水热碳化及其用于含碳复合材料合成的研究开题报告

1. 研究目的与意义

自然界的各种生物材料都是由富含碳元素的有机物构成，是天然的碳源材料。同时，生物材料有具有种类繁多，储量丰富，可持续利用，环境友好等优点。因此，如何充分利用生物材料中所蕴藏的碳材料成为了近年来广受关注的研究热点。在以往的研究中，生物材料碳化的常用方法是非氧条件下的高温加热处理，这一方法反应条件苛刻，对设备要求较高，能耗高，且对碳的保持率较低，并不能将生物材料作为碳源的优势进行充分的发挥。相比之下，近年来新提出的水热碳化法，不仅工艺简单，能耗较低，且对原料的碳质固体的保持率也较高，对于生物材料来说是更为理想的一种碳化方法。水热碳化是指在一个密闭的体系中，以碳水化合物或木质纤维素为原料，以水为反应媒介，在一定的温度(130~250℃)及自产生的压力下，原料经过一系列复杂反应而转化成碳材料的过程。其研究可追溯至20世纪，1913年Bergius就运用该技术在250~310℃碳化处理纤维素，对自然界煤的形成机理进行了研究。1960年Schuhmacher等指出pH值对水热分解过程影响显著。水热碳化法虽然已有上百年发展历史，但其研究目的却一直停留在通过该方法制备特定的液态和气态产物上，固相常被视为副产物而摈弃。直到2001年,Wang等口首次通过该方法制得均匀的碳球,并指出该碳球具有优良的储能性能,水热碳化法才再度引起了研究者的关注,且其在不同领域的应用也逐渐成为了研究热点。上世纪70年代,ModeU指出亚/超临界水在氧化、水解和水热过程中具有特殊性。水的临界压力为22．1MPa。临界温度为374℃，此时水的性质发生了极大的变化.既具有气体的扩散性还具有液体的流动性，其密度、介电常数、黏度、扩散系数、电导率和溶解性能都不同于普通的水Ⅷ。在近临界或超临界条件下,水具有较高的反应活性。临界区域水的特性会发生明显的变化,尤其是介电常数和离子积大幅度地下降，与此同时会改变水的溶解特性．使得有机物在水中的溶解度增大,离子化合物溶解度降低。亚/超临界水可以作为绿色化学中的环境友好溶剂和催化剂，从而减少甚至代替对环境有害溶剂和催化剂的使用。在超临界水氧化(Scw0)反应中,水除了作为反应介质，还具备有机溶剂的特点。根据相似相溶原理,水与有机物、反应气体均相混合，在较短的停留时间内,几乎99％以上的有机物迅速氧化成无害液体和H2O，CO，N等小分子气体。与超临界水氧化技术不同的是,水热转化技术是在缺氧条件下使有机废弃物完全分解，生成CO2、H2、CO、C等气体和生物油、固体焦炭等。水热过程工艺参数的选择直接决定了目标产物的组成和比例，根据其目标产物的不同。生物质水热可以分为永热碳化、水热液化以及水热气化。近年来，生物质经过水热处理，实现了资源化利用．受到越来越多的关注。

上述实验大多是研究水热碳化后的溶液有机含量及碳化后固体含碳量的研究。本文我将用玉米皮为生物模板，通过实验，观察他们在不同温度、不同停留时间、不同PH条件下他们的碳化程度和碳化后的结构，并观察通过水热碳化后的模板是否保留其完整结构，并利用保存完整的生物模板和其他药品（FeCI3、CuSO2.5H2O等）通过水热条件合成新的材料，观察他们的结构。

2. 研究内容和预期目标

研究内容

本论文即以探索生物材料水热碳化反应条件与内在机理为目标，选取玉米皮等常见生物材料作为原料，通过水热反应实现上述生物材料的碳化，并讨论水热反应条件对碳化结果的影响规律，尝试通过优化反应条件实现在水热碳化过程中保持原有的生物结构及形貌，并将其作为碳质模板用于含碳复合材料的合成。

预期目标

3. 研究的方法与步骤

以玉米皮做生物模板

把玉米皮清洗洁净后剪成小碎片放入反应釜中，加入溶液（溶液为ph=1，ph=4和ph=7），控制温度（温度160℃,170℃,180℃,190℃,200℃），控制时间（时间分为2h,4h,6h,8h,12h）.

把反应好生物模板利用元素分析仪测出c、h、o、s、n的质量分数；用xrd、ft-ir、sem法表征样品的结构。

4. 参考文献

1.刘树和，赵淑春；功能性生物质基碳素新材料,[j].材料导报a：综述篇.2012,26(12):24-29

2.程立强，刘应亮，张静娴，袁定胜，徐常威，孙广辉；球形碳材料的研究进展,[j].化学进展.2006,18(10):1298-1304

3.高英，石韬，汪君，陈汉平，王贤华，杨海平；生物质水热技术研究现状及发展,[j].可再生资源.2011,29(4):77-83

5. 计划与进度安排

1、2014-10-012022-11-01查阅文献，制定实验方案，撰写开题报告；

2、2022-11-022015-04-15玉米皮的水热碳化、合成实验

3、2022-04-162022-04-31微球形貌、成分和性能的表征；