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随着工业的高速发展和人类生活水平的日益提高,能源的需求量的增加以及传统的矿石能源消耗殆尽,环境污染和能源短缺成为当前的两大问题。因此,开发高效清洁可再生能源和大力发展环境工程技术迫在眉睫。由于低廉的成本、巨大的比表面积、发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和优越的电热稳定性,生物质衍生碳材料有望在电催化材料、超级电容器电极材料和高效吸附材料中得到广泛应用。本论文以资源丰富的生物质为前驱体,利用基于不同机理的多种修饰方法,开发高性能生物质衍生碳材料,用于废水处理和电化学领域,并探讨其高效、绿色且易于操作的制备工艺,实现大规模生产,具有重要的理论意义和实际应用价值。论文取得的创新性研究成果如下:(1)研发了以黄杨树叶为前驱体,低成本,高效,易于扩展的方法制备具有分层孔结构的氮自掺杂多孔碳纳米片(NPCNS)。电化学测试结果显示,NPCNS对碱性介质中的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)均表现出较高的电催化活性。不同热解温度(700℃、800℃、900℃和1000℃)的研究表明900℃碳化的样品(NPCNS-900)显示出最好的ORR和OER活性,且具有最高浓度的吡啶氮。相应密度泛函理论(DFT)计算表明具有适中O和OH吸附能的吡啶氮和石墨氮是ORR和OER的关键催化活性位点,据此表明NPCNS-900具有优异ORR和OER性能的机理是分级多孔海绵结构中的自掺杂吡啶氮和石墨氮有效了提高电子接收能力,利于电子传输,削弱了反应阻力。这项工作表明,使用简易方法制备的NPCNS-900在燃料电池或金属-空气电池等能源技术领域中表现出优异的电催化性能,是一种潜在的候选材料。(2)探究了以富含C和N的黄杨树叶为前驱体,制备氮掺杂多孔碳材料(NPCs)的低廉、高效、绿色且易操作的方法,并研究了作为高效吸附剂对印染废水中有机阳离子染料(亚甲基蓝:MB和罗丹明B:RhB)和阴离子染料(亚甲基橙:MO)的吸附性能。从吸附容量上看,NPCs对印染废水中MB、RhB和MO的最大吸附量分别为626.1、620.7和370.8 mg· g-1。NPCs优良的吸附性能主要是由于巨大的比表面积(1854.06 m2·g-1)、合适的孔径分布(以微孔和中孔为主)和自掺杂氮元素(2.59%)的存在。通过四种动力学模型(准一阶、准二阶、内扩散以及Elovich)和四种等温线模型(Langmuir、Freundlich、Temkin 和 Dubinin-Radushkevich)进一步阐述了该吸附过程的内在机理是物理吸附和化学吸附共同作用,属单分子层吸附。这项研究展现了一种潜在的利用生物质废弃物为原料,制备印染废水高效吸附剂的低成本和环境友好的简易方法。(3)提出了一种基于主客体相互作用,以β-环糊精(β-CD)为碳源,MO和MB作为氮源与硫源,直接碳化和活化主客体复合物制备多种杂原子掺杂生物质衍生碳材料(HBCMs)的合理性策略,并研究了该材料的电容性能。HBCMs作为超级电容器电极材料时表现出较好的性能,在电流密度为0.5 A·g-1时,CDC-MO和CDC-MB的比电容值分别为284和291.5 F·g-1。循环伏安法曲线显示了类矩形结构,无氧化还原峰,可逆性和稳定性较好,是较为理想的超级电容电极材料。本研究工作为大规模生产提供了简单、高效的策略。考虑到主体分子和客体分子构成的可调控性能,该研究也为新型HBCMs在超级电容器中的潜在应用提供了可能性。(4)探究了基于主客体相互作用,以β-CD为前驱体来制备氮掺杂生物质衍生碳材料的低廉、高效、绿色且易操作的方法,并研究了该材料在废水处理领域中的应用。通过使用β-CD为碳源,对氨基偶氮苯(P-AZO)、三聚氰胺(MEL)和尿素(UR)作为氮源,利用主客体包合作用,直接水热碳化和高温活化主客体复合物来制备一种新型的氮掺杂碳材料,碳化后的产物依次命名为:CDC-P-AZO、CDC-ME 和 CDC-UR。CDC-P-AZO(668.9 mg·g-1)对MB的吸附容量大于CDC(542.8 mg·g-1)、CDC-MEL(573.8 mg·g-1)和CDC-UR(586.3 mg·g-1),主要是由于巨大的比表面积(2210 m2·g-1)、合适的孔径分布(以微孔和中孔为主)和氮原子的引入(1.61%)的存在。通过动力学和等温线模型确定了该吸附过程是物理吸附和化学吸附共同作用,属单分子层吸附,为大规模生产和应用提供了理论上的依据。(5)以褐藻类提取物生物质多糖海藻酸钠为前驱体,提出了利用其螯合作用形成“蛋-盒”结构的水凝胶,经过特殊干燥方法即可得到气凝胶,该方法绿色环保优于传统气凝胶的制备方法,即可得到具有巨大的比表面积、发达的孔隙结构和低密度和热导率的新型三维多孔材料海藻酸钠碳气凝胶(ETSACA),并将此材料应用于印染废水处理领域。并与海藻酸钠气凝胶、纯海藻酸钠碳气凝胶(SACA)和直接碳化海藻酸钠粉末(SA)作为对照。ETSACA对MB的吸附量(504.7 mg·g-1)明显高于SACA(209.6 mg·g-1)和SA(106.3 mg·g-1)表现出最好的吸附性能,其优良的吸附性能主要是由于巨大的比表面积(1126.8m2·g-1)优于SACA(767.3 m2·g-1)和SA(222.5 m2·g-1)。该方法利用了海藻酸钠的独特结构,气凝胶热解碳化,为制备广泛应用于废水处理领域的吸附材料提供了研究基础和理论依据