中科院山西煤化所:玉米澱粉轉化為碳材料,交聯反應及其對碳化過程...

2020-11-25 騰訊網

本文要點：

通過（NH 4）2 HPO 4的交聯，有機澱粉已成功轉變為無機碳材料，具有所需的結構和性能。

1

背景及成果簡介

澱粉是一種基於生物質的產品，廣泛存在於植物的根和種子中。它顯示了一個具有高碳含量的奇妙球形結構，這是碳前驅體所需要的。例如，有研究人員提出了一種使用面部方法製備高表面積和孔隙率可控的分層多孔碳（HPC）的方法，該方法以澱粉為前體，硝酸鎂為氧化劑。然而，澱粉的基本結構是由d-葡萄糖單元組成的多糖，其在直接熱解過程中易於解聚形成小分子，從而導致低碳產率和天然微結構的破壞。為了解決這個問題，在熱解過程中使用了不同的交聯劑，例如空氣，均苯四酸二酐，和（NH4）2HPO4，以提高生物質的熱穩定性，其中（NH4）2HPO4是有效的交聯劑。

本文中國科學院山西煤炭化學研究所孫國華團隊在ACS Sustainable Chem. Eng期刊發表名為「From Starch to Carbon Materials: Insight into the Cross-Linking Reaction and Its Influence on the Carbonization Process」的論文，該研究對澱粉的交聯機理及其對碳化過程的影響進行了全面的研究。直接熱解後，純淨的澱粉無法保持初始形態。但是如果首先與（NH 4）2 HPO 4交聯，碳化後可以保持其均勻的球形形態。在此過程中，使用掃描電子顯微鏡（SEM）和熱重質譜（TG-MS）分別觀察了材料的形貌轉變和熱分解行為。此外，結合原位傅立葉變換紅外光譜，X射線光電子能譜分析和核磁共振技術來表徵從澱粉到碳材料的化學演化，並在此基礎上進一步提出可能的交聯機理。

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圖文導讀

圖1.（a）原始玉米澱粉（CS）

（b）在Ar氣氛下於160°C穩定4 h。所得樣品命名為ICS-160

（c）製備最終的碳微球（ICS-600），

（d）ICS-160和（e）ICS-600的SEM圖像。

圖2.（a）ICS和CS的TG-DTG曲線；（b）ICS的TG-MS分析。

圖3.（a），（c）CS和（b），（d）ICS的原位FTIR光譜。

圖4.（a）ICS-160，（b）ICS-300，（c）ICS-450和（d）ICS-600的高解析度N 1s XPS光譜。

圖5.（a）ICS-160，（b）ICS-300，（c）ICS-450和（d）ICS-600的高解析度P 2p XPS光譜。

圖6. （a）ICS和（b）CS在不同溫度下的600 MHz 13 C NMR光譜。

方案1. ICS熱處理過程中化學放出的可能方案

方案2.磷酸催化糖分子的脫水反應

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小結

本文使用（NH4）2HPO4作為交聯劑熱解玉米澱粉而得自澱粉的碳材料的比較研究，並且直接熱解玉米澱粉而沒有任何交聯劑。相比之下，發現通過（NH4）2HPO4交聯的玉米澱粉在碳化後仍可以很好地保持其天然球形形態。通過結合使用先進的分析工具，我們對交聯反應機理有了全面的了解。在熱解過程的初始階段，H3PO4由（NH4）2HPO4分解催化了澱粉的脫水並進一步抑制了焦油的形成，從而導致高碳收率。隨著溫度的升高，P原子以C-O-PO3，C-PO3和C2-PO2的形式依次連接到澱粉分子系統。N以胺/醯胺，N-5，N-6和NQ的順序轉化。在整個交聯反應過程中，N原子有助於多芳族單元的環化和生長，而P負責形成磷酸鹽和多磷酸酯橋，這些橋將多芳族單元片段交聯成石墨晶體。在磷和氮的協同作用下，澱粉已成功地從天然有機高分子化合物轉變為碳材料。同時，它保持了自己的自然球形形態。這項研究將為生物質基碳材料的發展提供理論模型和科學基礎。同時，它還激發了其他天然生物質產生的更多天然產物，例如木質素，纖維素和半纖維素，這些有待於將來開發。

參考文獻：

From Starch to Carbon Materials: Insight into the Cross-Linking Reaction and Its Influence on the Carbonization Process

DOI：10.1021 / acssuschemeng.9b02821

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