Advanced Sustainable Systems:将轧棉废料转化为功能性工程碳结构

轧棉废料是棉花轧制过程中产生的废弃生物质,其传统的焚烧处理过程会造成健康问题和环境污染。因此,研究者在不断探索轧棉废料的不同潜在应用,包括用于生产生物燃料、活性碳材料、聚合物材料和纤维素纳米晶体等。其中,多孔碳材料(活性炭)是非石墨化的无定形碳结构,可被用于液体或气体吸附、电极材料、催化剂载体、超级电容器和脱色材料等用途。尽管在轧棉废料衍生的碳材料方面已有了大量的研究成果,但对于碳材料的分子结构以及其碳化过程的芳香化途径仍存在知识空白。

在使用碳质材料合成多孔碳材料时,需要在碳化之前进行物理、化学及物理化学联合的活化步骤。在化学活化中,碳源与脱水化合物混合(如KOH、K2CO3、H2SO4和ZnCl2等),从而保证在热解过程中不会形成焦油。在单独碳化时,轧棉废料的两种主要成分(木质纤维素和脂肪酸)都会形成芳香碳环,但两者结合时会导致在不同碳化条件下产生不同的碳结构,其具体过程尚不明确。对此,澳大利亚昆士兰科技大学的William O. S. Doherty课题组以轧棉废料为碳源,KOH为脱水化合物,研究了不同碳化温度下轧棉废料的碳结构演变,并研究了内源性脂肪酸对形成的碳结构类型的影响。

在该项工作中,作者跟踪研究不同温度KOH活化的轧棉废料碳化模式,结果表明,在结构重排后,产物中产生了三到六层的芳香结构,更高的碳化温度和加热速率会加速这一过程。此外,随着碳化温度的升高,芳烃和呋喃类物质的比例会发生改变,在600℃时呋喃的比例达到最高,800℃时呋喃减少而芳烃比例增加。随后,作者将所得产物用作果糖脱水制备5-羟甲基糠醛的催化剂和储氢材料,分别表现出了与商业催化剂相当的催化性能和良好的储氢吸收能力。

论文信息:

Transforming Cotton Gin Trash to Engineered Functional Carbon Structures

Athukoralalage Don K. Deshan, Lalehvash Moghaddam, Dumindu P. Siriwardena, Ekaterina Strounina, Jorge Beltramini, William O. S. Doherty*

Advanced Sustainable Systems

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100061

原创署名:潘奕辰