稻壳基二氧化硅和硅酸盐的制备及性能研究
水稻是世界上年产量第四高的农产品，在水稻加工脱壳过程中会产生大量的稻壳(RH)。但目前对稻壳的主要处理方式就是填埋或者焚烧，这同时带来了资源浪费和环境污染的问题，因此对稻壳资源的开发利用成为研究热点。 稻壳具有由二氧化硅和有机物组成的三维网状结构，其中包括大约20wt.%SiO2和80wt.%的木质纤维素。稻壳相比其他生物质（玉米芯、竹叶、秸秆等）具有二氧化硅含量大的特点。随着人们对稻壳的利用研究不断深入，目前已经可以利用稻壳中的硅质成分，设计并制造出多种结构新颖的硅基材料。针对现有文献和稻壳硅基材料开发过程中遇到的实际问题，本文进行相关试验和讨论，借助稻壳独特的化学组成设计并制备了多种功能性硅基材料，并将部分样品在抗摩擦及储能方面的应用进行了初步探讨。 首先，本论文通过对稻壳采用不同的预处理，然后在相同条件下热解的方式制备了两种稻壳灰(RHAs)——水洗稻壳灰(WRHA)和酸洗稻壳灰(ARHA)。将其作为填料加入到高密度聚乙烯(HighDensityPolyethylene,HDPE)中，探究填料种类和填料量的变化对HDPE复合物摩擦性能的影响。其次，将稻壳硅质成分通过水热反应转化成硅酸钴，探究其作为电容电极材料的可行性和特点。再次，为进一步提高过渡金属硅酸盐(Transitionmetalsilicates,TMSs)的电容性能，采用双过渡金属复合的方式制备TMSs，并探究两种金属元素摩尔比例的变化对电极活性材料性能的影响。最后，以稻壳为硅源，采用一步熔盐法制备偏硅酸钙纳米棒，并探究硅源和合成条件对产物形貌的影响。取得的研究结果如下： 1.由于预处理稻壳的方式不同，制备的两种RHAs形貌存在一定差异。通过扫描电镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)图可以看到，ARHA的粒径明显小于WRHA。同时，根据Brunauer–Emmett–Teller(BET)方法计算的比表面积结果发现，ARHA具有高达289.91m2/g的比表面积。 2.采用熔融共混的加工方式，将不同预处理条件得到的RHAs用作HDPE的填料，并研究复合物的摩擦性能。实验结果表明，填料的不同添加量会对复合物的摩擦性能造成明显影响。在填料量为1.5wt.%时，所制备的1.5ARHA/PE样品的摩擦系数(CoefficentofFriction,COF)最低，分别比纯HDPE和1.5WRHA/PE的摩擦系数降低了约13%和41%。 3.分别以商品SiO2，稻壳基二氧化硅(RiceHuskbasedSilica,RH-SiO2)和稻壳基炭/二氧化硅复合物(RiceHuskbasedCarbon/Silica,RH-C/SiO2)为原料通过水热法制备了硅酸钴电极活性材料。通过一系列表征和测试，验证了稻壳硅质成分制备的硅酸钴在电容电极材料应用中的可行性。实验结果表明，在钴与硅元素摩尔比例为2:1时，以稻壳为原料制备的活性材料，在0.50A/g的电流密度下质量比电容达到264.80F/g。 4.通过水热反应时调整Co和Ni的摩尔比例，制备出多种双金属复合硅酸盐电极活性材料，并对其进行了系统的表征和测试。实验结果表明，在钴与镍元素的摩尔比例为3:2时制备的电极活性材料具有最优的电容性能，经测试在电流密度为0.50A/g时，电极材料的质量比电容高达548.20F/g，高于相同条件下其他钴与镍摩尔比例制备的双金属复合TMSs。 5.根据双金属复合硅酸盐的系列测试结果发现，钴与镍元素摩尔比例的变化，会改变体系中钴的结合能。当镍离子添加量达到其阈值时，硅酸盐中的钴处于最佳键合环境下，这更有利于氧化还原反应的发生，从而使材料具有更优异的赝电容性能。 6.直接以稻壳为原料经一步熔盐法成功制备了偏硅酸钙纳米棒，并探究了硅源和合成条件对产物形貌的影响。实验结果表明，在800℃氮气气氛下，同时控制降温速率5℃/min的条件下，借助稻壳基体提供的模板——稻壳中独特的二氧化硅分布和木质纤维素的包覆阻隔作用，直接以稻壳为原料可以有效避免二氧化硅粒子熔融团聚，从而一步法即可制备出长径比大于200的偏硅酸钙纳米棒。
稻壳;二氧化硅;摩擦性能;硅酸盐;电容器;木质纤维素
吉林大学
硕士
物理化学
朱燕超
2023
中文
TQ127.2;TQ170.6;TQ914.3
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）