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齐鲁工业大学董志国、陈雷等CEJ:焦耳热技术高效制备石墨碳材料

齐鲁工业大学董志国、陈雷等CEJ:焦耳热技术高效制备石墨碳材料 中科精研材料制备技术研究院
2024-12-27
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导语



在寻求可持续和环保的碳材料制备方法中,木质素作为一种丰富的生物质资源,因其高碳含量和高芳香度而备受关注。齐鲁工业大学(山东省科学院)能源研究所董志国博士、陈雷研究员和华中科技大学杨海平教授团队在《化学工程期刊》(CEJ)上发表的研究,通过焦耳热驱动木质素闪速热解,成功制备了石墨碳材料,同时提高了能源效率和环境友好性。


研究亮点
  • 焦耳热技术应用:该团队将闪速焦耳加热(FJH)技术应用于木质素热解石墨化,实现了木质素向石墨碳的高效转化。
  • 物理化学结构分析:全面分析了石墨碳(LFG)的物理化学结构以及气、液副产物的组成特性,探讨了木质素FJH热解石墨化动力学机理。
  • 性能提升:在环氧树脂中使用LFG作为填料,显著提高了复合材料的抗弯强度和光热性能。
实验结果与方法
  • 焦耳热热解反应器设计:作者设计了可以实现毫秒级时间控制和三态产物收集的焦耳热热解反应器,探究了不同电压下木质素的热解特性。

  • 热解油组成分析:采用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)分析了木质素热解油组成,发现酚类占比达到80%,其次是不饱和碳氢化合物。

  • 石墨碳物理化学结构:随电压升高,无定形碳向有序石墨结构转变,热稳定性显著增加。


    图文解读
    • 图1:展示了FJH热解系统原理图和不同电压下温度随时间的变化曲线,以及热解产物产率分布和气体产物组成。
    • 图2:展示了不同电压下木质素热解油的FT-ICR-MS分析结果,包括分子量分布、氧物种分布、重质组分分布和酚类组分分布。
    • 图3:展示了LFG的化学表征结果,包括拉曼光谱、ID/IG和I2D/IG随电压变化、XRD图谱、TGA和表面元素组成。
    • 图4:展示了不同LFG-75V的环氧树脂复合材料的弯曲和光热性能,包括标准弯曲试样照片、弯曲应力-应变图、弯曲模量、弯曲强度和激光照射下树脂温度随时间的变化。
    • 图5:展示了木质素FJH工艺的温室气体排放和成本分析,以及与已报道的其他前体FJH工艺和木质素石墨化技术的比较。


    总结与展望

齐鲁工业大学和华中科技大学团队的这项研究展示了焦耳热技术在木质素热解石墨化中的应用潜力,不仅提高了能源效率,还减少了环境影响。这项工作为生物质资源的高值化利用提供了新的思路。

深圳中科精研科技有限公司专注于提供超快高温焦耳热冲击技术与智能化实验室解决方案,其产品在材料科学领域具有广泛的应用前景。公司的核心产品,如焦耳超快加热装置和焦耳闪蒸加热装置,能够在极短时间内实现材料的超高速升温,为木质素热解石墨化等研究提供了强有力的技术支持。这些设备的应用不仅加速了科研进程,还有助于推动环保和可持续材料的研发,与齐鲁工业大学的研究相辅相成,共同为实现绿色能源和环境友好型材料的未来发展贡献力量。

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