硝酸改性活性炭上氧/氮官能团对脱汞性能的促进作用

采用硝酸氧化手段对活性炭进行了表面处理, 并在固定床反应器上测试了其脱除单质汞的性能. 研究表明, 在模拟烟气中硝酸改性活性炭能有效脱除单质汞. 采用元素分析、Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面积、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱、Boehm滴定、程序升温脱附(TPD)和X射线光电子能谱(XPS)等手段研究了活性炭表面官能团对其脱汞性能的影响. 结果表明: 硝酸氧化处理能同时增加活性炭表面含氧官能团和含氮官能团的含量. 与改性活性炭的物理性质相比, 其化学性质对脱汞性能的影响更大, 单质汞主要被改性活性炭氧化为HgO而去除. 在脱汞反应中, 羰基、酯基和酸酐等含氧官能团可能是活性吸附位点, 反应后这些官能团被还原为羟基或者醚基; 而吡咯等含氮官能团可能是活性催化位点. 此外, 基于上述表征结果提出了硝酸改性活性炭表面官能团的脱汞机制.     

非均相催化臭氧氧化反应机制

臭氧催化氧化作为高级氧化技术是目前水处理领域研究的热点,其中非均相臭氧催化氧化技术因其氧化能力强、降低臭氧投加量特别是能显著提高有机物矿化率等优点而备受关注。非均相催化臭氧氧化领域不断研究新的催化剂,但是其反应过程及机制更加复杂。催化臭氧氧化的性能很大程度上取决于催化剂及其表面性质。污染物在催化剂表面形成络合物,或者臭氧在催化剂表面分解产生不同的含氧物种如表面氧原子、过氧化物和羟基自由基等。本文评述了非均相臭氧催化氧化反应中存在的多种机理,主要是自由基理论、氧空位理论、表面原子氧理论、表面络合物理论和臭氧直接氧化理论。催化剂表面的羟基基团是主要的催化活性中心,本文探讨了表面羟基基团催化反应机制,得出催化剂表面性质决定其表面活性位点的特性及含量,对诱导臭氧分解产生含氧活性物种起了关键作用;概述了催化剂改性后的结构形态、比表面积及其性能和作用机制;并讨论了非均相臭氧催化氧化反应催化剂未来的发展趋势,为催化臭氧氧化污水处理技术提供了理论参考。     

活性炭的表面处理对二苯并噻吩催化氧化脱除的影响

将一种木质活性炭经过三种表面处理,即高锰酸钾稀硫酸溶液液相氧化、浓硝酸液相氧化和350℃低温气相氧化处理。实验所选活性炭及相应的表面改性炭使用氮气吸附和Boehm滴定分别进行了结构性质和表面化学表征。研究了所选活性炭和相应的表面改性炭催化过氧化氢氧化脱除二苯并噻吩（DBT）。实验结果表明,活性炭表面化学对二苯并噻吩的氧化脱除影响很大;炭表面化学对DBT吸附脱除的影响不同于对DBT氧化脱除的影响,表面酸性越强越有利于DBT的吸附;表面羰基能加速过氧化氢产生自由基,表面羰基量的增加明显有利于DBT的氧化脱除。活性炭经过热处理后,在二苯并噻吩的氧化脱除中催化活性明显增加,正辛烷溶液中硫的体积质量从0.556g·L-1降到0.009g·L-1。     

活性炭电极材料的表面改性和性能

以硝酸、双氧水、氨水三种化学试剂分别对活性炭进行表面改性, 用N2吸附法和FTIR表征炭材料改性前后孔结构和表面官能团的变化. 制备了以改性活性炭为电极材料, KOH溶液为电解质的模拟双电层电容器. 用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法考察了双电层电容器的电化学性能. 结果表明, 改性活性炭比表面积和平均孔径有所降低, 并且在炭材料表面引入了含氧或含氮官能团, 如—OH、>CO、—NH2等, 使炭材料的润湿性增强、电阻减小、电化学性能显著提高. 用65%硝酸改性后炭材料的比容量最高达到250 F·g-1, 比原样炭提高了72.4%; 实验电容器的漏电流急剧下降, 只有3-18 μA, 为原来电容器的漏电流(371 μA)的0.8%-4.9%.     

结构可控的炭基材料在锂离子电池中的应用

为了满足人们对高性能锂离子电池的需求,对电极材料进行结构设计和表面改性非常重要。基于炭材料独特的优势,通过使用炭材料或是制备炭基复合物能够极大地提高锂离子电池的电化学性能。基于本实验室的研究基础,本文总结了炭基材料在锂离子电池应用领域所发挥的重要作用,综述了炭材料和炭基复合材料作为锂离子电极材料的研究进展,着重阐述了通过引入炭材料和控制材料结构来提高电池电化学性能。在炭负极材料方面,主要概述了新型炭负极材料(碳纳米管、石墨烯和无定形炭)的各种形貌结构对电 化学性能的影响及各自的优缺点。在含炭复合电极材料方面,详细介绍了正负极复合材料的制备方法、结构设计、形貌控制及复合物中炭对于提高正负极活性材料的导电性和结构稳定性所发挥的积极作用。最后,对于炭基材料在锂离子电池领域需要解决的问题进行了探讨,以期提高锂离子电池的应用性能。     

功能化碳质材料的制备及其对水中重金属的去除

重金属污染是目前最为严峻的环境问题之一,我国的重金属污染问题尤为突出。活性炭、纳米碳管和石墨烯等环境友好型碳质材料由于其比表面积大,吸附能力强等优点而被应用于水中重金属的去除,而进行官能团功能化改性后其吸附效果可以明显提高。本文重点阐述了活性炭、纳米碳管、石墨烯及生物质炭等碳质材料的巯基化(-SH)、氨基化(-NH₂)等功能化改性方法及其应用,考察了功能化碳质复合材料对水中重金属离子的去除效果和影响因素,最后展望了功能化碳质复合材料对水中重金属污染物去除研究的发展方向。     

基于生物炭的高级氧化技术降解水中有机污染物

碳基材料催化剂因具有良好的催化性能,同时可避免金属催化剂的重金属沥出造成的二次污染问题,常被应用于高级氧化领域。其中,以废弃生物质为原材料热解产生的生物炭,不仅具有催化潜力,还具有低成本和绿色环保等优势,被广泛用于活化过氧化氢、过一硫酸氢盐和过二硫酸盐等过氧化物降解水中有机污染物。本文介绍了生物炭的前体种类和制备方法、阐述了二者对生物炭活化能力的影响,总结了生物炭活化过氧化物的机理,分析了水质对降解污染物的影响,综述了生物炭的改性、循环使用及再生,指出了这一技术存在的问题并对后续研究进行了展望。     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注。特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程。同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一。兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势。另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义。在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述。由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制。通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触。但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利。另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利。本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用。在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素。在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物。除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移。另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇。需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用：一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物。本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用。     

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用（英文）

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注.特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程.同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一.兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势.另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义.在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述.由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制.通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触.但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活;因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利.另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行;尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利.本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用.在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应;其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素.在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物.除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移.另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇.需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用:一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力;另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物.本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用.     

掺硼金刚石电极电催化氧化酚类有机物的取代基效应

本文主要以当前水环境中存在酚类有机污染物为研究对象,探讨酚类有机污染物在掺硼金刚石(BDD)电极上的取代基效应,具体研究具有不同位置及种类官能团的取代酚类有机污染物在BDD电极上的电催化氧化过程,通过化学需氧量和浓度变化考察有机污染物在电催化降解过程中的降解趋势,深入分析电极种类、官能团位置与种类与电催化氧化活性之间的联系的同时,研究阳极材料电催化氧化有机污染物的机理及动力学。结果表明,有机物在电极表面的电催化过程以电产生羟基自由基为媒介,对苯二酚在不同电极上的电催化活性与电极析氧电位及表面产生羟基自由基量有着重要的联系,BDD电极拥有最强的电催化氧化活性;不同取代基团的对位取代酚在BDD电极上的电化学降解实验显示电催化反应速率受取代官能团自身的电子效应制约,有机物矿化过程中羟基自由基首先进攻苯环的对位发生取代反应,同时取代基脱离苯环过程成为整个取代酚类电化学降解过程的决速步骤,且有机物的电催化反应速率与取代基特征Hammett常数σ呈近似线性关系。     

二维炭基多孔材料的合成及应用（英文）

二维材料是指厚度在纳米尺度,且在两个维度(长和宽)具有较大尺寸的材料。与块体材料相比,二维材料最大的特点是具有极高的表面/体积比,有利于传质、传热和离子扩散,因而在吸附、催化以及储能等领域有广泛的应用。近年来,随着石墨烯引发的二维材料研究浪潮,二维炭基多孔材料成为全世界关注的研究热点。而二维炭基材料的孔结构是影响其性能的关键因素。本文介绍了近年来二维炭基多孔材料的合成方法,包括炭纳米片及炭-无机复合纳米片的制备,讨论了制备条件对材料孔结构的影响。在此基础上,着重介绍了二维炭基材料在吸附、多相催化及储能方面的应用。最后,对新型炭基二维材料开发中仍存在的关键科学问题进行了总结和展望。     

改性活性炭对噻吩的吸附性能研究

用过硫酸铵、臭氧对椰壳活性炭和煤基活性炭进行氧化改性,研究了改性活性炭对噻吩的吸附性能,材料结构袁征结果表明,经两种方法氧化处理后,椰壳炭的孔结构基本保持不变,而煤基炭的比表面积和孔容有所增加.Boehm滴定发现氧化后活性炭表面含氧官能团数量增加并由FT-TR图谱得到证实.氧化处理提高了噻吩在活性炭表面的吸附容量与Langmuir和Freundlich两种吸附等温线方程的相关性.采用拟一级、拟二级和粒子内扩散模型速率方程来考察吸附动力学,并计算了这些动力学模型的速率常数,拟二级模型和实验数据之间有较好的相关性.同时对影响吸附性能的因素进行了分析.     

电解芬顿法处理工业废水

高级氧化技术(AdvancedOxidationProcesses　AOP)是以产生羟基自由基(·OH)为标志。水处理高级氧化技术就是通过化学或物理化学的方法将水中的污染物直接氧化成无机物,或将其转化成为低毒的易生物降解的中间产物,其本质是利用羟基自由基氧化降解水相中的各种污染物的化学反应,是一种有效降解废水中有机污染物的方法。电解芬顿法是利用电解的方法产生Fe2+和H2O2,新生的Fe2+和H2O2立即作用产生·OH。用金属铁作阳极电解溶出Fe2+,或用三维电极,利用阴阳极的协同效应电解产生Fe2+或H2O2[1 4]。与其它AOP法相比,这种方法具有处理成…     

不同商品炭的表面性质对重金属离子的吸附性能的影响

采用多种商品炭如活性炭(CA)、煤粉(PC)、木质2.0生物炭(L2B)、椰壳生物炭(CSB)、稻壳生物炭(RHB)、硬炭毡(HCF)、软炭毡(SCF)、果壳生物炭(SB)等作为代表,通过各项表征手段检测不同商品炭的表面性质。利用扫描电镜(SEM)观察各商品炭的表面形貌,以傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和Boehm滴定法分别定性和定量分析不同商品炭表面官能团的种类和数量,通过对商品炭的形貌结构、表面含有官能团和晶体结构的分析,发现商品炭对重金属离子吸附的主要影响因素是酸性表面官能团,而商品炭形貌及孔隙度影响较小。     

乙烯渣油沥青基活性炭纤维和粘胶基活性炭纤维的表面性质与脱硫活性

研究了在O2和H2O存在下,乙烯渣油沥青基活性炭纤维(ETPACF)和粘胶基活性炭纤维(CelluloseACF)的脱硫活性.结果表明,在比表面积相近的情况下,ETPACF的脱硫活性明显低于CelluloseACF,这可归因于后者具有较强的吸附和催化氧化SO2能力及较大的吸水量,尤其是具有较强的催化氧化SO2的能力,这些能力又与其表面含有含氮官能团以及某些含氧官能团有关,因此ACF的表面官能团对其脱硫活性影响很大.     

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe~(2+)存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H_2O_2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。     

羟基自由基对多壁碳纳米管表面和结构的影响

碳纳米管纯化后，使用Fenton试剂产生羟基自由基对碳管进行改性处理，研究羟基自由基对碳管表面和结构的影响，并与碳管的混酸处理结果进行比较。FTIR结果表明：经Fenton试剂化学处理后，碳管表面主要引入羟基和羰基，而混酸能“剪切”碳管，产生大量羧基和羰基等官能团。根据Fenton试剂产生羟基自由基的机理，分析了Fenton试剂处理条件的影响因素，控制反应条件即过氧化氢与亚铁离子物质的量之比保持在10左右，而pH值则维持在3左右，对碳管进行改性处理。依据碳管Fenton试剂处理前后的FTIR谱图变化，初步探讨了羟基自由基与多壁碳纳米管作用的可能机理。机理分析表明，改性后碳管表面的羟基和羰基是羟基自由基对碳管上的不饱和键进行加成氧化的结果。     

活性炭材料对镍基催化剂乙醇气相羰化性能的影响

采用浸渍法制备了负载在竹炭(BC)、柱状煤质炭(CYC)、果壳炭(FC)、木质炭(WC)和椰壳炭(CC)上的5种Ni基催化剂,考察了镍分散度、还原性能及催化乙醇气相羰化制丙酸的性能.用N2物理吸附法、X射线光电子能谱和程序升温脱附等方法研究了活性炭的孔结构特性、表面含氧官能团种类和数量.结果表明,Ni/CC的羰化活性最高,乙醇转化率和丙酸选择性分别为96.1%和93.2%,而Ni/BC的羰化活性最低,乙醇转化率和丙酸选择性分别为63.0%和32.7%.催化剂催化羰化性能与其载体活性炭材料的性质密切相关.     

介孔炭表面性质对吸附去除低浓度氨性能的影响

室内环境中低浓度氨污染普遍存在,影响人的身体健康,而消除这些低浓度的氨相对困难。本文报道了一种适用于低浓度氨吸附去除的介孔炭材料,其性能明显优于经硝酸处理的活性炭材料。该介孔炭采用磷酸铝为硬模板制备,炭表面存在大量含氧官能团,研究显示炭表面羧基和内酯基在吸附氨过程中发挥着重要作用,它们作为酸性中心与氨发生化学作用,可以有效地捕获空气中低浓度的氨污染物。     

表面改性对Cu/活性炭催化剂表面Cu物种和催化活性的影响

通过对活性炭表面改性,研究了醋酸铜溶液浸渍后热分解制备的Cu/AC无氯催化剂对甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯催化性能的影响。通过低温氮吸附－脱附、FTIR等表征对改性前后活性炭的比表面积及表面官能团变化进行了分析,发现氨水改性的活性炭比表面积略有增大,表面不饱和还原性官能团(C≡N、C≡C)增加,而KMnO₄改性的活性炭比表面积减小7%,表面C=O、-COOH显著增加。进一步通过XRD、H₂-TPR、XPS等表征分析了催化剂表面铜物种(Cu⁰/Cu^I/Cu^Ⅱ)的形态,发现表面铜物种的价态和配比与活性炭表面性质密切相关,影响催化剂活性。活性炭改性后,表面微观结构和表面化学性质的变化对浸渍醋酸铜的表面分布和热分解过程产生明显影响,导致催化剂表面活性Cu物种发生变化。和其它表面改性方法相比,氨水改性的活性炭更有利于催化剂活性的提高,碳酸二甲酯的时空收率及甲醇转化率分别达到了152.8 mg·g^-1·h^-1和7.4%。