香蕉皮做成的活性炭
香蕉皮做成的活性炭，處理新鮮香蕉皮等農(nóng)業(yè)廢棄物是一個環(huán)境問題。在這項工作中，通過使用高剪切混合器促進粉碎方法，然后在Ar氣體下碳化，將新鮮香蕉皮成功轉(zhuǎn)化為摻氮炭納米顆粒。氨活化的氮炭納米顆粒通過隨后的氨活化處理在高溫下制備成活性炭。
香蕉是世界上消費量最大的水果之一，全球年產(chǎn)量達到1億噸。每年大量生產(chǎn)有機香蕉皮廢物達3000多萬噸。香蕉皮占香蕉總重量的1/3，與稻殼和甘蔗渣一起，是最大的農(nóng)業(yè)殘留物之一。這種大量的BP廢物造成環(huán)境污染，迫切需要一種方法來穩(wěn)定這種農(nóng)業(yè)殘留物。從這個意義上講，香蕉皮可以作為活性炭原料材料，制成的活性炭可以用作大量應用的電極。
生物質(zhì)來源的活性炭材料受到了極大的關(guān)注。在這些之中，柚皮，絮，椰子殼，茶葉，玉米糠，棉桿等已被用來準備用于儲能應用的活性炭原材料。香蕉皮制成的活性炭已被用作環(huán)境吸附材料和超級電容器等應用。值得注意的是，所有上述過程涉及一個自然或基于設(shè)備的干燥步驟。新鮮香蕉皮的儲存和干燥仍然具有挑戰(zhàn)性。
形態(tài)表征
香蕉皮活性炭的制備方法在圖1a中示意性地總結(jié)。新鮮的香蕉皮通過無干燥的高剪切混合器直接碾碎成乳液。透射電子顯微鏡(TEM)成像(圖1b)顯示，與傳統(tǒng)機械葉輪相比，高剪切混合器的高質(zhì)量和傳熱速率使熱水碳化后的活性炭容易合成。圖1c中的TEM圖像顯示通過氨激活氮摻雜后獲得的黑色的活性炭材料具有與香蕉皮活性炭相似的形態(tài)。因此，我們可以得出結(jié)論，氨活化后活性炭的形態(tài)保持不變。如通過TEM觀察到的(圖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當大的孔洞。這些與顆粒表面良好接觸的通道可以作為連續(xù)的電子通道，從而有可能提高材料的穩(wěn)定性。
圖1.(a)從新鮮香蕉皮制成活性炭的過程的描述。(b)活性炭和(c)氨活化的活性炭TEM圖像。(d)活性炭和(e)氨活化的活性炭氮吸附等溫線和相應的孔徑分布。
表1.香蕉皮活性炭和氨活化的活性炭比表面積和孔徑分布。
| 樣品 | S BET（m 2 / g） | D BJH（nm） | 孔體積（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 |
為了進一步驗證這些通道的影響，產(chǎn)生N2吸附- 解吸等溫線以獲得活性炭和氨活化的活性炭樣品的孔徑分布和比表面積(圖1d，e )。如表1所示，活性炭和氨活化的活性炭均顯示出高的比表面積(734.8和941.2m 2 / g)，孔徑分布集中在大約1。2.4和2.7納米。作為氨活化處理的結(jié)果，氨活化的活性炭顯示出比活性炭更高的比表面積和更高的孔隙率。更重要的是，與活性炭相比，氨活化的活性炭含有大量的邊緣和缺陷，其存在對于氧還原反應改善活性是重要的。N 2吸附-解吸等溫線的滯后環(huán)(圖1d，e，H4型等溫線)表明存在微孔和中孔，這與孔徑分布和TEM結(jié)果一致。
結(jié)構(gòu)和成分表征
圖2a中示出了活性炭和氨活化的活性炭的X射線衍射(XRD)圖譜。所有的X射線衍射圖表現(xiàn)出活性炭的兩個典型的寬峰，從而表明存在無定形相。為了進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分析這些樣品。兩個樣品的C 1s譜圖(圖2b)顯示存在五個峰。在284.2eV處的主峰可以歸因于C-C物質(zhì)，而在ca.284.9,286.0,286.3和289.2eV分別歸因于C-N，C-O，C = O和COO物種。C-N物種主要來源于新鮮香蕉皮中存在的氨基酸。氨活化的活性炭顯示出比香蕉制成的活性炭更高的N含量(分別為2.43對1.02at%)，從而表明在NH 3活化后成功制備了氮摻雜的活性炭材料。
圖2.(a)活性炭和氨活化的活性炭樣品的XRD圖譜。高分辨率的XPS光譜。(b)C 1s(c)O 1s 和(d)活性炭和氨活化的活性炭的N1s帶。
電化學結(jié)果
為了研究氮摻雜的作用和活性炭的球形形貌，采用旋轉(zhuǎn)圓盤電極方法，在N 2 / O 2飽和的0.1M KOH溶液中進行相關(guān)的氧化還原反應電化學測試。活性炭和氨活化的活性炭反應動力學通過氧化還原反應極化法在不同轉(zhuǎn)速下進行評估。兩個樣品的顯示了j -1和ω -1 /2之間的近似線性關(guān)系。活性炭的電子轉(zhuǎn)移數(shù)(n)值的平均值和氨活化活性炭，分別在0.45-0.55和0.4-0.6V的電位范圍內(nèi)由K-L曲線估算。氧化還原反應的活性炭的n值分別為3.44,3.49和3.56，由此揭示了四電子反應路徑。相反，香蕉皮活性炭表現(xiàn)出2.95,3.02和3.11的n值，表明兩電子和四電子反應途徑的組合。循環(huán)伏安法(CV)和線性掃描伏安法(LSV)結(jié)果使我們得出結(jié)論：氨活化活性炭的球形表面，氮摻雜和比表面積特征負責這種樣品的優(yōu)越的電催化性能。為了評估活性炭的電催化活性，進行CV測量?；钚蕴吭贠 2飽和的0.1M KOH溶液中顯示出明顯的氧還原峰，而在N 2飽和溶液的情況下沒有觀察到該峰。
采用簡便的高剪切方法，然后通過熱或氨活化處理，從新鮮香蕉皮合成具有高比表面積(941.2m 2 g -1)的摻氮活性炭納米顆粒。這種活性炭在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原反應電化學活性。此外，由于其相對高的吡啶和活性炭氮含量，這種材料在堿性體系中顯示出優(yōu)異的耐受性和穩(wěn)定性，這提供了氧還原反應活性位點?？傊?，這項研究提供了一種新穎的高剪切方法來確定新鮮農(nóng)業(yè)廢物的價值并合成電化學氧還原反應活性炭催化劑。
本文作者：董帝豪
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