馬鈴薯淀粉基炭微球制備機(jī)理及電化學(xué)性能的研究.pdf

1、由于日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和化石資源的日益緊缺，以生物質(zhì)資源為原料制備炭材料成為一個(gè)重要的研究課題。淀粉作為制備炭材料的原料，具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、再生周期短等特點(diǎn)。此外，不同來(lái)源的淀粉具有不同的顆粒形狀和粒徑分布，可根據(jù)需求制備出保持淀粉顆粒形態(tài)的不同粒徑大小的炭微球，這對(duì)促進(jìn)炭微球的研究與發(fā)展具有重要的意義。本文提出了保持馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)的炭微球的兩種制備方法，通過(guò)系統(tǒng)研究?jī)煞N制備過(guò)程的機(jī)理，分析了影響淀粉基炭微球制備的本質(zhì)因素。進(jìn)

2、一步探討了馬鈴薯淀粉基活性炭微球的孔結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)性能的影響，同時(shí)對(duì)ZnCl2活化法的制備機(jī)理進(jìn)行了初步研究。
　　 本文采用兩種方法制備保持馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)的炭微球，并對(duì)制備機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。穩(wěn)定化法的制備過(guò)程包括：220℃穩(wěn)定化和600℃炭化，其中穩(wěn)定化處理是制備過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。在穩(wěn)定化過(guò)程中，馬鈴薯淀粉顆粒中水的失去，以及分解、重排和縮聚等反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致了淀粉顆粒中鏈鏈微晶結(jié)構(gòu)的破壞。使炭化過(guò)程中馬鈴薯淀粉顆粒的熔

3、融現(xiàn)象不再發(fā)生。浸漬法的制備過(guò)程包括：NH4Cl溶液浸漬和600℃炭化。在浸漬過(guò)程中，NH4Cl分子被物理吸附在馬鈴薯淀粉顆粒的表面和孔隙中；在隨后的炭化過(guò)程中，NH4Cl的分解產(chǎn)物HCl促進(jìn)了淀粉分子鏈在較低溫度下的化學(xué)脫水反應(yīng)，導(dǎo)致淀粉顆粒中的鏈鏈微晶結(jié)構(gòu)的破壞，有利于單分散馬鈴薯淀粉基炭微球的制備。結(jié)合兩種制備機(jī)理可得：以保持馬鈴薯淀粉顆粒完整性為前提，顆粒內(nèi)部鏈鏈微晶結(jié)構(gòu)的破壞是制備保持馬鈴薯淀粉原始顆粒形態(tài)的炭微球的關(guān)鍵。

4、r>　　 將采用浸漬法制備的炭微球在不同溫度下進(jìn)行處理，并用作鋰離子電池負(fù)極材料，研究了其微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。研究表明：石墨化后馬鈴薯淀粉基炭微球的良好石墨化結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的不斷嵌入和脫出；同時(shí)完好的顆粒整體性防止了在充放電循環(huán)過(guò)程中石墨片層的剝落。因此，石墨化后馬鈴薯淀粉基炭微球表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。首次放電容量達(dá)323mAh/g，循環(huán)效率達(dá)88％。首次循環(huán)之后炭微球的充放電效率均維持在98％以上，20次循環(huán)后，放電

5、容量仍可達(dá)到316mAh/g。
　　 以穩(wěn)定化法制備的炭微球?yàn)樵希捎肅O2活化法和KOH活化法制備馬鈴薯淀粉基活性炭微球。系統(tǒng)考察了活化工藝條件對(duì)活性炭微球孔結(jié)構(gòu)的影響，探討了孔結(jié)構(gòu)對(duì)雙電層比電容的影響。結(jié)果表明：兩種活化方法均可制備高比表面積活性炭微球，且所制備活性炭微球?yàn)榫哂幸欢ū诤竦目招那颉ｋ娀瘜W(xué)測(cè)試表明：KOH活化法制備的比表面積為2520m2/g的活性炭微球在30wt％KOH水溶液中具有高達(dá)335F/g的比電容、良

6、好的功率性能和循環(huán)性能。
　　 以粒徑范圍約為5～30μm的馬鈴薯淀粉為原料，通過(guò)ZnCl2活化法制備了馬鈴薯淀粉基活性炭微球，并對(duì)其造孔機(jī)理進(jìn)行了初步的研究。研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)ZnCl2溶液浸漬后淀粉顆粒表面或內(nèi)部孔穴處附著大量的堿式氯化鋅。在活化過(guò)程中堿式氯化鋅分解，生成ZnO、HCl和H2O，HCl氣體的催化脫水作用使活化后樣品能夠保持原淀粉的顆粒形狀。在活化后的酸洗過(guò)程中，生成的ZnO晶體被除去而留下一定的孔隙，使樣品的比表面