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香蕉皮可以做成的活性炭么?

香蕉皮做成的活性炭,处理新鲜香蕉皮等农业废弃物是一个环境问题。在这项工作中,通过使用高剪切混合器促进粉碎方法,然后在Ar气体下碳化,将新鲜香蕉皮成功转化为掺氮炭纳米颗粒。氨活化的氮炭纳米颗粒通过随后的氨活化处理在高温下制备成活性炭。

香蕉是世界上消费量最大的水果之一,全球年产量达到1亿吨。每年大量生产有机香蕉皮废物达3000多万吨。香蕉皮占香蕉总重量的1/3,与稻壳和甘蔗渣一起,是最大的农业残留物之一。这种大量的BP废物造成环境污染,迫切需要一种方法来稳定这种农业残留物。从这个意义上讲,香蕉皮可以作为活性炭原料材料,制成的活性炭可以用作大量应用的电极。

生物质来源的活性炭材料受到了极大的关注。在这些之中,柚皮,絮,椰子壳,茶叶,玉米糠,棉杆等已被用来准备用于储能应用的活性炭原材料。香蕉皮制成的活性炭已被用作环境吸附材料和超级电容器等应用。值得注意的是,所有上述过程涉及一个自然或基于设备的干燥步骤。新鲜香蕉皮的储存和干燥仍然具有挑战性。

形态表征

香蕉皮活性炭的制备方法在图1a中示意性地总结。新鲜的香蕉皮通过无干燥的高剪切混合器直接碾碎成乳液。透射电子显微镜(TEM)成像(图1b)显示,与传统机械叶轮相比,高剪切混合器的高质量和传热速率使热水碳化后的活性炭容易合成。图1c中的TEM图像显示通过氨激活氮掺杂后获得的黑色的活性炭材料具有与香蕉皮活性炭相似的形态。因此,我们可以得出结论,氨活化后活性炭的形态保持不变。如通过TEM观察到的(图1)b,c),香蕉皮制成的活性炭和氨活化的活性炭材料都具有相当大的孔洞。这些与颗粒表面良好接触的通道可以作为连续的电子通道,从而有可能提高材料的稳定性。

图1.(a)从新鲜香蕉皮制成活性炭的过程的描述。(b)活性炭和(c)氨活化的活性炭TEM图像。(d)活性炭和(e)氨活化的活性炭氮吸附等温线和相应的孔径分布。

表1.香蕉皮活性炭和氨活化的活性炭比表面积和孔径分布。

样品 S BET(m 2 / g) D BJH(nm) 孔体积(cm 3 / g)
香蕉皮活性炭 734.8 2.4 0.23
氨活化的活性炭 941.2 2.7 0.45

为了进一步验证这些通道的影响,产生N2吸附- 解吸等温线以获得活性炭和氨活化的活性炭样品的孔径分布和比表面积(图1d,e )。如表1所示,活性炭和氨活化的活性炭均显示出高的比表面积(734.8和941.2m 2 / g),孔径分布集中在大约1。2.4和2.7纳米。作为氨活化处理的结果,氨活化的活性炭显示出比活性炭更高的比表面积和更高的孔隙率。更重要的是,与活性炭相比,氨活化的活性炭含有大量的边缘和缺陷,其存在对于氧还原反应改善活性是重要的。N 2吸附-解吸等温线的滞后环(图1d,e,H4型等温线)表明存在微孔和中孔,这与孔径分布和TEM结果一致。

结构和成分表征

图2a中示出了活性炭和氨活化的活性炭的X射线衍射(XRD)图谱。所有的X射线衍射图表现出活性炭的两个典型的宽峰,从而表明存在无定形相。为了进一步了解活性炭和氨活化的活性炭的催化活性的起源,用XPS分析这些样品。两个样品的C 1s谱图(图2b)显示存在五个峰。在284.2eV处的主峰可以归因于C-C物质,而在ca.284.9,286.0,286.3和289.2eV分别归因于C-N,C-O,C = O和COO物种。C-N物种主要来源于新鲜香蕉皮中存在的氨基酸。氨活化的活性炭显示出比香蕉制成的活性炭更高的N含量(分别为2.43对1.02at%),从而表明在NH 3活化后成功制备了氮掺杂的活性炭材料。

图2.(a)活性炭和氨活化的活性炭样品的XRD图谱。高分辨率的XPS光谱。(b)C 1s(c)O 1s 和(d)活性炭和氨活化的活性炭的N1s带。

电化学结果

为了研究氮掺杂的作用和活性炭的球形形貌,采用旋转圆盘电极方法,在N 2 / O 2饱和的0.1M KOH溶液中进行相关的氧化还原反应电化学测试。活性炭和氨活化的活性炭反应动力学通过氧化还原反应极化法在不同转速下进行评估。两个样品的显示了j -1和ω -1 /2之间的近似线性关系。活性炭的电子转移数(n)值的平均值和氨活化活性炭,分别在0.45-0.55和0.4-0.6V的电位范围内由K-L曲线估算。氧化还原反应的活性炭的n值分别为3.44,3.49和3.56,由此揭示了四电子反应路径。相反,香蕉皮活性炭表现出2.95,3.02和3.11的n值,表明两电子和四电子反应途径的组合。循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)结果使我们得出结论:氨活化活性炭的球形表面,氮掺杂和比表面积特征负责这种样品的优越的电催化性能。为了评估活性炭的电催化活性,进行CV测量。活性炭在O 2饱和的0.1M KOH溶液中显示出明显的氧还原峰,而在N 2饱和溶液的情况下没有观察到该峰。

采用简便的高剪切方法,然后通过热或氨活化处理,从新鲜香蕉皮合成具有高比表面积(941.2m 2 g -1)的掺氮活性炭纳米颗粒。这种活性炭在碱性介质中表现出优异的氧还原反应电化学活性。此外,由于其相对高的吡啶和活性炭氮含量,这种材料在碱性体系中显示出优异的耐受性和稳定性,这提供了氧还原反应活性位点。总之,这项研究提供了一种新颖的高剪切方法来确定新鲜农业废物的价值并合成电化学氧还原反应活性炭催化剂。

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