生物遗态炭基材料的制备与应用

具有三维精细分级多孔结构的高性能新型材料一直是材料领域研究的热点。然而，传统的研究技术和手段很难真正实现复杂三维分级结构的精准构筑，成为长期困扰学术界和工业界的问题之一。为了设计合成具有生物结构与功能一体化的新型材料，材料研究者将目光转移到生物遗态材料上来。
生物遗态材料是材料研究领域里的一个新概念，指利用自然界中亿万年进化优选而来的生物质自身具有的多层次、多尺度、多结构的独特结构特征，通过高温处理技术改变其结构组分，制备出保持有自然界生物质精细分级结构的新型结构功能一体化材料。由于生物质的独特结构已经过长期的进化和自然选择，它们远比人类设计的结构更优越，具有比人工仿生材料更为优异的材料特性，而且可以获得比原生物质更完备的功能。因此，基于自然界数目繁多、品种各异的生物质，衍生出来的生物遗态新型材料可被广泛应用到诸多领域，尤其是环境和能源领域。
遗态材料最早由日本的Okabe T博士等在1992年研发，当时称为木质陶瓷(wood ceramics)，美国学者则称其为“生态陶瓷(eco-ceramics)”，这种材料具有低密度、优异的耐磨和减磨性、优良的电磁屏蔽效应和远红外线放射特性等特点。但该材料的韧性、导热和导电性能较差，阻碍了其应用。近三十年，随着现代生物研究的巨大进展，生物结构和功能性方面的研究快速进步，科学家已经基于不同生物质的精细微纳结构，开发出具有不同特性、适用于不同应用需求的多种功能材料。
本书针对生物遗态炭和生物遗态SiC两种具体的生物遗态材料，研究了生物质向生物遗态炭材料转化的方法，炭化工艺条件对形貌结构的影响规律，生物遗态炭材料的结构和形貌特征；深入研究了生物遗态炭材料在储能和电催化方面的应用。同时，也研究了生物遗态炭模板向SiC转化的不同方法，制备的SiC材料在甲烷部分氧化制备合成气中的应用。上述工作对完善生物遗态材料知识体系，推动生物遗态材料的应用发展提供支持和帮助。
在本书的编写过程中，东北大学秦皇岛分校的罗绍华教授、张亚辉副教授给予了全力帮助，研究生高成林、周萌、檀明秀、王邓杨、王莎莎、刘武鑫等做了大量工作，包括文献搜集、数据整理、图表绘制等，在此表示诚挚的感谢。另外，本书的编写还参考了国内外相关研究人员的一些文献资料，在此向有关作者一并致谢。
本书得到国家自然科学基金（项目编号：52274295）、河北省电介质与电解质功能材料重点实验室绩效补助经费（项目编号：22567627H）、河北省高等学校科学技术研究项目重点项目（项目编号：ZD2022158）、河北省自然科学基金（项目编号：E2020501001）以及河北省中央引导地方科技发展资金项目（项目编号：226Z4401G）的支持，在此表示感谢。
由于生物遗态炭基材料跨学科、专业面广，受作者水平和精力所限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者和同仁批评指正。

王庆

王庆，博士，东北大学秦皇岛分校副教授，硕士生导师。目前主要从事生物遗态材料、电化学储能材料与器件的研究工作。近年来承担与参与国家自然科学基金、河北省自然科学基金、辽宁省自然科学基金、河北省中央引导地方科技发展资金项目、河北省高等学校科学研究项目重点项目、中央高校基本科研业务费等多项研究课题，发表SCI论文30余篇，获授权发明专利多项。相关研究成果获得2019年高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)二等奖(排名第3)、2018年河北省科技进步奖二等奖(排名第2)、2018年中国有色金属工业科学技术奖(发明)一等奖(排名第2)。

生物遗态炭基材料是新型的结构功能一体化材料。本书共分10章，系统介绍了生物遗态材料的概念、分类，生物遗态炭材料的制备方法、结构和形貌特征、工艺影响因素，以及生物遗态炭材料在钾离子电池负极、超级电容器电极和ORR及OER电催化剂方面的应用；生物遗态SiC材料的制备方法、形貌结构特征、炭模板和SiC材料的表面分形计算，以及SiC作为催化剂载体在甲烷部分氧化制备合成气中的应用等内容。
本书结合作者多年的研究成果，技术先进，内容丰富，数据翔实，为相关科研人员和学生提供指导。

第1章绪论1
1.1生物遗态材料概述1
1.2生物遗态材料分类2
1.2.1以原材料进行分类3
1.2.2以产物进行分类8
1.3生物遗态材料应用18
1.4本书的主要研究内容22

第2章生物遗态材料制备方法和表征技术23
2.1生物遗态炭的制备方法23
2.1.1直接炭化法23
2.1.2水热炭化法23
2.1.3活化法24
2.2生物遗态SiC的制备方法25
2.2.1液相渗硅法25
2.2.2溶胶-凝胶和碳热还原法25
2.2.3气相渗硅法25
2.3生物遗态炭负极钾离子电池的制备25
2.4材料的表征与分析26
2.4.1X射线衍射仪26
2.4.2扫描电子显微镜27
2.4.3透射电子显微镜27
2.4.4拉曼光谱仪27
2.4.5孔径及比表面积仪28
2.4.6X射线光电子能谱仪29
2.4.7压汞分析仪29
2.4.8热重分析仪29
2.4.9颗粒强度测定仪30
2.4.10电感耦合等离子体原子发射光谱仪30
2.5电池的电化学性能测试30
2.6电催化剂性能测试31
2.7SiC催化剂性能测试32

第3章生物遗态炭材料33
3.1玉米皮的热解行为33
3.2生物遗态炭的形貌结构35
3.3生物遗态炭的物相特征37
3.4生物遗态炭的孔结构特征38
3.5生物遗态炭的表面结构特征40

第4章生物遗态SiC材料43
4.1具有小米微观结构的SiC材料43
4.1.1炭模板的形成44
4.1.2液相渗硅法制备的bioSiC48
4.1.3溶胶-凝胶和碳热还原法制备SiC52
4.1.4气相渗硅法制备SiC55
4.2具有高粱和藕微观结构SiC的制备57
4.2.1具有高粱微观结构SiC的制备59
4.2.2具有藕微观结构SiC的制备65

第5章生物遗态材料表面分形计算73
5.1引言73
5.2计算方法75
5.3表面分维数的计算77
5.3.1小米基炭模板和bioSiC的表面分维数77
5.3.2高粱基炭模板和bioSiC的表面分维数78
5.3.3藕基炭模板和bioSiC的表面分维数79

第6章生物遗态炭钾离子电池负极81
6.1引言81
6.2核桃分心木基N掺杂炭的形貌结构81
6.2.1核桃分心木基N掺杂炭的微观形貌82
6.2.2核桃分心木基N掺杂炭的物相特征83
6.2.3核桃分心木基N掺杂炭的孔结构特征84
6.2.4核桃分心木基N掺杂炭的表面特征85
6.3核桃分心木基N掺杂炭负极电化学特性87
6.3.1循环伏安分析87
6.3.2恒流充放电分析88
6.3.3储能机理分析91

第7章生物遗态炭超级电容器电极94
7.1引言94
7.2不同比表面积核桃分心木基炭的形貌结构95
7.2.1不同比表面积炭的形貌结构特征95
7.2.2炭材料物相结构特征97
7.2.3不同比表面积炭的孔结构特征99
7.2.4不同比表面积炭的表面特性99
7.3电容性能分析101
7.4对称超级电容器的性能104

第8章生物遗态炭在ORR和OER中的应用107
8.1引言107
8.2豆渣基炭形貌结构特征108
8.3电催化性能分析113

第9章生物遗态SiC催化应用120
9.1引言120
9.2催化性能分析121
9.2.1Al2O3助剂对催化剂性能的影响121
9.2.2Ni/bioSiC-Al2O3和Ni/SiC-Al2O3催化剂在不同空速下催化性能的比较125
9.2.3反应前后催化剂的SEM表征126

第10章展望129

参考文献132