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海藻多糖基能源環境材料 版權信息
- ISBN：9787030724137
- 條形碼：9787030724137 ; 978-7-03-072413-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海藻多糖基能源環境材料 本書特色
本書可供生物質材料、新能源材料、碳材料、納米材料、環境學、林 業工程、電化學等相關學科和專業領域的科研人員、工程技術人員以及高 等院校的師生閱讀參考。
海藻多糖基能源環境材料 內容簡介
本書是在參閱大量國內外文獻并總結著者課題組獨立研究成果的基礎上撰寫而成；以海洋寶庫中海藻為主要材料來源，探尋海藻多糖結構與功能構建之間的內在關聯，創新性地提出了利用海洋資源解決當今能源短缺與環境污染等系列難題；詳細闡述了海藻細胞壁超分子結構解譯、海藻基儲能材料合成與器件設計、新型能量轉換技術電催化劑開發、海藻基環境功能材料構筑，深入探索了海藻衍生生物炭的構建方法與活性調控機制等特色研究內容。本書在內容上緊密吻合海藻材料的發展前沿，闡述了界面工程、缺陷工程、單原子工程等調控策略在海藻高效高值化方面的研究進展和應用前景，對我國“碳達峰”、“碳中和”戰略目標的實現起到重要指導作用。 本書可供生物質材料、新能源材料、碳材料、納米材料、環境學、林業工程、電化學等相關學科和專業領域的科研人員、工程技術人員以及高等院校的師生閱讀參考。
海藻多糖基能源環境材料 目錄
目錄
序
前言
第1章 環境功能材料 1
1.1 能源與環境 1
1.2 先進能源材料 2
1.2.1 儲能材料 2
1.2.2 能量轉換材料 8
1.3 能源環境材料的發展意義 13
1.4 生物質環境功能材料 14
參考文獻 16
第2章 海洋的饋贈——海藻及多糖 21
2.1 海藻資源種類及分布 21
2.1.1 褐藻 22
2.1.2 紅藻 23
2.1.3 綠藻 24
2.2 藻類的轉化和提取 24
2.2.1 海藻酸鈉的來源和性質 25
2.2.2 卡拉膠的來源和性質 27
2.2.3 海藻纖維素的來源和性質 29
2.3 海藻提取物的應用 30
2.3.1 海藻多糖在傷口敷料中的應用 30
2.3.2 海藻多糖在醫學中的應用研究進展 32
2.3.3 海藻多糖在食品中的應用研究進展 34
2.3.4 海藻多糖在降解酶中的應用研究進展 36
2.3.5 海藻纖維素的應用 37
2.4 海藻及其提取物在能源環境中的應用 39
參考文獻 40
第3章 海藻基儲能材料與器件 50
3.1 新型儲能器件概述 50
3.1.1 鋰離子電池 50
3.1.2 鈉離子電池 54
3.1.3 超級電容器 58
3.2 納米碳及其金屬化合物復合儲能材料 67
3.2.1 納米碳儲能材料 67
3.2.2 金屬化合物/碳復合材料 69
3.3 海藻酸鹽基儲能材料與器件 70
3.3.1 基于海藻酸纖維的單金屬氧化物的鋰離子電池負極材料的研究 70
3.3.2 基于海藻酸雙金屬氧化物氣凝膠的鋰離子電池負極材料的研究 72
3.3.3 海藻基碳/富含氧空位的氧化錳復合材料的制備與儲能性能研究 73
3.3.4 海藻酸鈉抑制鋰離子電池正極材料中陽離子混排的研究 75
3.3.5 基于海藻酸鈉的鐵基氣凝膠正極材料的合成及其儲鈉性能研究 78
3.4 卡拉膠基儲能材料與器件 79
3.4.1 金屬硫化物/碳復合陰極材料 79
3.4.2 硫摻雜多級孔碳納米材料與器件 82
3.5 滸苔基儲能材料與器件 84
3.5.1 滸苔基純碳材料與器件 85
3.5.2 滸苔基復合材料與器件 86
3.6 海藻基固體電解質 94
3.6.1 海藻酸基阻燃凝膠聚合物電解質 94
3.6.2 卡拉膠基阻燃凝膠聚合物電解質 96
3.6.3 瓊脂基阻燃凝膠聚合物電解質 97
參考文獻 99
第4章 新型能量轉換技術電催化劑 106
4.1 新型能量轉換技術及電催化基元反應 106
4.1.1 氧還原反應 106
4.1.2 析氫反應 107
4.1.3 析氧反應 109
4.1.4 氮還原反應 110
4.2 海藻酸鹽與卡拉膠衍生的ORR電催化劑 111
4.2.1 海藻酸鹽衍生的金屬納米顆粒/碳材料 112
4.2.2 海藻酸鹽衍生的金屬單原子/碳氣凝膠 116
4.2.3 卡拉膠衍生的非金屬缺陷碳 119
4.3 海藻酸鹽衍生的HER催化劑 123
4.3.1 金屬磷化物 123
4.3.2 金屬氮化物/碳氣凝膠 127
4.3.3 金屬納米-單原子/碳氣凝膠 130
4.4 海藻酸鹽衍生的OER催化劑 132
4.4.1 金屬氮化物 133
4.4.2 金屬氧化物 134
4.5 海藻酸鹽衍生的NRR電催化劑 138
4.6 海藻基電催化展望 140
參考文獻 141
第5章 海藻基環境功能材料 147
5.1 海藻基吸附劑 147
5.1.1 海藻酸基吸附劑的制備及表征 149
5.1.2 海藻酸基吸附劑的性能 156
5.2 海藻基異相類芬頓催化劑 164
5.2.1 海藻基類芬頓催化劑的制備 166
5.2.2 海藻基類芬頓催化劑的結構 170
5.2.3 海藻基類芬頓催化劑的性能 172
5.3 海藻基絮凝劑 175
5.3.1 海藻酸鈉絮凝劑的類型 175
5.3.2 海藻酸鈉絮凝劑的制備 179
5.3.3 海藻酸鈉絮凝劑的結構 182
5.3.4 海藻酸鈉絮凝劑的性能 184
5.3.5 海藻酸鈉絮凝劑的絮凝機理 187
參考文獻 191
序
前言
第1章 環境功能材料 1
1.1 能源與環境 1
1.2 先進能源材料 2
1.2.1 儲能材料 2
1.2.2 能量轉換材料 8
1.3 能源環境材料的發展意義 13
1.4 生物質環境功能材料 14
參考文獻 16
第2章 海洋的饋贈——海藻及多糖 21
2.1 海藻資源種類及分布 21
2.1.1 褐藻 22
2.1.2 紅藻 23
2.1.3 綠藻 24
2.2 藻類的轉化和提取 24
2.2.1 海藻酸鈉的來源和性質 25
2.2.2 卡拉膠的來源和性質 27
2.2.3 海藻纖維素的來源和性質 29
2.3 海藻提取物的應用 30
2.3.1 海藻多糖在傷口敷料中的應用 30
2.3.2 海藻多糖在醫學中的應用研究進展 32
2.3.3 海藻多糖在食品中的應用研究進展 34
2.3.4 海藻多糖在降解酶中的應用研究進展 36
2.3.5 海藻纖維素的應用 37
2.4 海藻及其提取物在能源環境中的應用 39
參考文獻 40
第3章 海藻基儲能材料與器件 50
3.1 新型儲能器件概述 50
3.1.1 鋰離子電池 50
3.1.2 鈉離子電池 54
3.1.3 超級電容器 58
3.2 納米碳及其金屬化合物復合儲能材料 67
3.2.1 納米碳儲能材料 67
3.2.2 金屬化合物/碳復合材料 69
3.3 海藻酸鹽基儲能材料與器件 70
3.3.1 基于海藻酸纖維的單金屬氧化物的鋰離子電池負極材料的研究 70
3.3.2 基于海藻酸雙金屬氧化物氣凝膠的鋰離子電池負極材料的研究 72
3.3.3 海藻基碳/富含氧空位的氧化錳復合材料的制備與儲能性能研究 73
3.3.4 海藻酸鈉抑制鋰離子電池正極材料中陽離子混排的研究 75
3.3.5 基于海藻酸鈉的鐵基氣凝膠正極材料的合成及其儲鈉性能研究 78
3.4 卡拉膠基儲能材料與器件 79
3.4.1 金屬硫化物/碳復合陰極材料 79
3.4.2 硫摻雜多級孔碳納米材料與器件 82
3.5 滸苔基儲能材料與器件 84
3.5.1 滸苔基純碳材料與器件 85
3.5.2 滸苔基復合材料與器件 86
3.6 海藻基固體電解質 94
3.6.1 海藻酸基阻燃凝膠聚合物電解質 94
3.6.2 卡拉膠基阻燃凝膠聚合物電解質 96
3.6.3 瓊脂基阻燃凝膠聚合物電解質 97
參考文獻 99
第4章 新型能量轉換技術電催化劑 106
4.1 新型能量轉換技術及電催化基元反應 106
4.1.1 氧還原反應 106
4.1.2 析氫反應 107
4.1.3 析氧反應 109
4.1.4 氮還原反應 110
4.2 海藻酸鹽與卡拉膠衍生的ORR電催化劑 111
4.2.1 海藻酸鹽衍生的金屬納米顆粒/碳材料 112
4.2.2 海藻酸鹽衍生的金屬單原子/碳氣凝膠 116
4.2.3 卡拉膠衍生的非金屬缺陷碳 119
4.3 海藻酸鹽衍生的HER催化劑 123
4.3.1 金屬磷化物 123
4.3.2 金屬氮化物/碳氣凝膠 127
4.3.3 金屬納米-單原子/碳氣凝膠 130
4.4 海藻酸鹽衍生的OER催化劑 132
4.4.1 金屬氮化物 133
4.4.2 金屬氧化物 134
4.5 海藻酸鹽衍生的NRR電催化劑 138
4.6 海藻基電催化展望 140
參考文獻 141
第5章 海藻基環境功能材料 147
5.1 海藻基吸附劑 147
5.1.1 海藻酸基吸附劑的制備及表征 149
5.1.2 海藻酸基吸附劑的性能 156
5.2 海藻基異相類芬頓催化劑 164
5.2.1 海藻基類芬頓催化劑的制備 166
5.2.2 海藻基類芬頓催化劑的結構 170
5.2.3 海藻基類芬頓催化劑的性能 172
5.3 海藻基絮凝劑 175
5.3.1 海藻酸鈉絮凝劑的類型 175
5.3.2 海藻酸鈉絮凝劑的制備 179
5.3.3 海藻酸鈉絮凝劑的結構 182
5.3.4 海藻酸鈉絮凝劑的性能 184
5.3.5 海藻酸鈉絮凝劑的絮凝機理 187
參考文獻 191
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海藻多糖基能源環境材料 節選
第1章環境功能材料 1.1能源與環境 當今社會，經濟蓬勃發展，科技日新月異，給人類的生存與發展帶來了新的機遇。但是，隨著人口急劇增加、能源日漸短缺，環境惡化問題也隨之而來，這些問題嚴重影響著人們的生活質量、身體健康以及社會的可持續發展。因此，除了對技術本身的追求以外，我們還應該特別注重技術的環保性及對環境的治理和保護。隨著社會的快速發展和生活水平的提高，人們對能源的需求大幅增加。社會生活和經濟發展離不開能源，能源對人類生活起著不可替代的作用。用于新能源(包括風能、太陽能、潮汐能、地熱能、生物質能和核能等)開發利用的材料統稱新能源材料，如生物質能材料、風電材料、太陽能電池材料、儲氫材料、核能材料等。傳統能源材料(煤和石油等)的利用方式存在諸多缺點。首先，傳統能源材料的能量利用效率低，只有35%左右。例如煤等燃料中的化學能要轉變成目標能量，必須先轉變成熱能，在這個過程中會產生能量損失。其次，大部分傳統能源材料在利用過程中會往大氣中排放大量有害氣體，污染環境和損害人體健康。因此，研究開發高能量轉化效率和低污染的新型綠色能源材料是人們一直致力追求的目標。開發出可替代的新能源以逐步減少不可再生能源的使用，是保護生態環境、緩解社會壓力、走可持續發展道路的重大舉措（圖1.1)。 人類在消耗資源能源創造著空前富裕的物質財富和前所未有的社會文明的同時，也在不斷污染破壞著自身賴以生存的環境。從資源、能源和環境的角度考慮，材料的提取、制備、生產、使用和廢棄的過程，實際上是一個資源和能源消耗以及環境污染的過程：材料一方面推動著人類社會的物質文明；另一方面又大量消耗資源和能源，并在生產、使用和廢棄過程中排放大量的污染物，危害環境和惡化人類賴以生存的空間。現實要求人類從節約資源能源與環境保護的角度出發，重新認識和評價過去在材料的研究、開發、使用和回收等方面的行為。新材料產業近幾年已成為炙手可熱的國家戰略型新興產業，隨著人們對環境能源可持續發展的重視，能源及環境類新材料已成為新材料領域*具關注度的方向之一。 圖1.1新能源應用前景 儲能材料的應用是當前以及未來能源發展的重點，在新能源、智能電網、電動汽車三大新型產業中儲能材料都占據極其重要位置。同時，伴隨著新能源的迅速發展，對于儲能技術的應用以及儲能產業的壯大具有較為現實的需求。當前我國儲能材料產業發展環節面臨著諸多問題，如儲能產業鏈銜接問題、儲能產業發展缺乏創新。面對我國儲能材料發展的現狀，現提出推動我國儲能材料產業發展的對策。**，明確儲能規劃，實現儲能與新能源的同步發展；第二，制定投資回報、政策回報等激勵機制；第三，實現儲能材料研發的技術創新。 1.2先進能源材料 1.2.1儲能材料 自人類發明蒸汽機以來，依靠煤和石油等礦物能源，工業技術得到高速發展，經濟水平大幅提升。但是，礦物能源的應用也帶來了資源枯竭和環境污染等一系列問題。因此，人類的可持續發展必須尋求可再生能源，包括生物質能源、地熱、水能、風能、太陽能、海洋潮汐能和波浪能等。可再生能源的*主要特征是不連續性，能量產生的時間和地點往往與實際需求不符。例如，風力發電需要借助風力，而用電通常為無風環境；太陽能電池在陽光輻射下工作，而晚上常常需要用電。因此，大多數可再生能源的利用必須依賴儲能。對于一個可持續發展的社會來說，能源開發與利用無疑是一個巨大的挑戰[1]。21世紀以來，隨著社會工業化進程的高速發展、人口的迅速增長以及人們對于更高生活水平的追求，人類社會對于傳統化石能源的消耗日益加劇，然而化石能源的燃燒帶來大量溫室氣體，所造成的環境污染與溫室效應也日益加劇，因此用更清潔的能源代替化石燃料成為亟待解決的難題[2]。風能、太陽能這兩類可再生能源是目前開發比較完善的清潔能源體系[3]。然而，由于這些可再生能源的電力輸出是間歇性和波動性的，故這些清潔能源面臨著能源利用率低的問題，能源轉換和儲存作為有效利用清潔能源和可再生能源非常重要的中間環節，一直受到世界各國的關注。電化學儲能和轉換器件，如二次電池、電化學電容器、電解槽和燃料電池，對能源的高效和持續利用起關鍵作用，是克服全球能源挑戰的極有前途的技術。例如，太陽能和風能產生的電能可以有效地儲存在二次電池和電化學電容器中，再釋放利用，或者由電催化劑轉化為燃料。前者是電化學儲能系統，后者則屬于電化學能量轉換系統。儲能，就是指將能量儲存起來。例如將水力能源以勢能的形式儲存在大頊的水中；利用風力發電帶動壓縮機進行抽氣的壓縮空氣儲能；或者將能源通過電化學反應儲存在電池中。物理儲能方式中儲能量較大的抽水儲能和壓縮空氣儲能在能源利用率上相較于電化學儲能的電池和電容器要低一些，并且需要占據更大的工作空間，受地形限制較大，不如電化學儲能技術靈活，這些缺點限制了物理儲能的廣泛應用。同時，由于電能具有高轉換效率、傳輸方便和穩定性高等優勢，目前大多可再生清潔能源更多地通過發電轉換為電能進行儲存運輸。因此，從狹義上講，儲能技術更多的是針對電能的存儲。電能的儲存，從本質上說，就是制造電勢差和電勢差的保持。電勢差可以來自于不同物質之間的絕對電勢差，也可以來自于摩擦力導致的同一物體不同部位的電勢差異。電勢差產生后，需要通過絕緣體來隔離電勢差兩端，防止其接觸后耗散能量。根據電勢差的來源不同，電能以兩種不同的方式儲存。一種是儲存在電池中，正負極兩個具有不同電勢的物質之間，電荷通過兩電極之間的導電物質移動產生電流做功。另一種是更為直接的方式，將正負電荷以靜電荷的形式分別存儲在電容器的兩個電極上，這里的電勢差主要來自于外力(如通電等）。盡管工作原理不同，這兩種儲能器件都包括以下關鍵的功能部件[5]：①兩個電極(正極和負極)，電極上進行電化學反應過程和電荷的吸附過程；②阻止電子傳導以保持電勢差的絕緣體，如隔膜、玻璃等；③在電池正極和負極之間提供純離子電導率的電解液。此外，許多行業需要儲能，例如電網調峰調頻、不間斷電源、應急電源等等均需要儲能，為減少對石油依賴及環境污染培育的電動汽車產業更離不開儲能。目前，交通運輸消耗的能源主要來自石油，約占世界石油總產量的60%，而城市空氣污染源約40%來自燃油汽車尾氣。因此，儲能技術在社會發展與國民經濟建設中扮演著越來越重要的角色。 目前，已經得到應用的主要儲能技術和正在開發的儲能技術按能量儲存形式可分為：熱能儲能(如熔鹽）、勢能儲能(如抽水、壓縮空氣等）、動能儲能(飛輪等）、電磁能儲能(超導線圈等）、靜電儲能（電容器等）、化學儲能（電池、氫等）。儲能規模可大可小，以電能單位計，小可致W.h級的集成電路中的電池，大可達GW-h級的抽水儲能水庫[圖1.2(a)]。不同的儲能技術各有優缺點。例如：抽水和壓縮空氣儲能規模大，但場地條件要求極高；飛輪儲能原理上簡單，但技術難度大；超導磁儲能效率高，但要求低溫操作、成本高；電池儲能規模上無法與抽水儲能相比，但電池具有占地面積小、運行條件要求低、規模可大可小(小規模儲能可用單體電池、大規模可由電池組實現)等優點，是目前應用*廣的儲能技術。電池儲能是通過化學物質的氧化還原反應實現的。原理上，任何兩組不同電極電位的氧化還原電對均可構成電池，電位高的一極稱為正極、電位低的一極稱為負極，電池放電時，正極發生還原反應，負極發生氧化反應，充電時則相反。電池的種類繁多，可分為一次電池和二次電池兩類。一次電池是指放電完后不能再用的電池，又稱原電池；二次電池是指放電后可再充電使用的電池，又稱可充電池。所以只有二次電池才可用于儲能。在儲能應用領域，通常要求電池具有：在一定的放電深度內，具有穩定的電壓平臺；高的比能量(W+h/kg)和比功率(W/kg)，以及高的能量密度(W.h/dm3)和功率密度(W/dm3)、寬的工作溫度范圍、低的自放電率、能快速充放電、能經得起過充電和過放電、免維護且安全、長壽命可回收、低制造成本、環境友好等。顯然，要同時滿足上述要求非常困難。實際應用中，往往根據使用目的而特別強調某些性能指標，放棄對另一些指標的要求。例如，太陽能發電的儲能電池特別要求充放電效率，不考慮其快速充電能力；而混合電動汽車中的儲能電池快速充電能力則是特別要求的性能指標。在所有實用化的儲能電池中，鋰離子電池具有較大的比能量和比功率，且電極材料種類繁多。因此，鋰離子電池是*被看好的儲能電池之一[圖1.2(b)]。 鋰離子電池是在鋰一次電池應用的基礎上發展起來的新型二次電池。鋰是*輕的金屬，其電極電位很負(-3.05 V ra. SHE)，因而是儲能密度*高的金屬。基于有機電解質溶液形成表面鈍化膜的保護作用，以金屬鋰為負極的一次電池很早以前就實現了商品化，所用的正極材料包括MnO2、CFX、M0O3、V2O5等。在此基礎上，人們期望發展出以金屬鋰為負極的二次電池，主要原因是充電時沉積的鋰以晶枝狀生長，易引起內短路。傳統的二次電池以水溶液為電解質溶液，水溶液不易燃燒。更重要的是，水在電池過充電時正負極分解產生的氧氣和氫氣可以復合回水，或者設計成負極過量將正極產生的氧氣還原成水。這些特性為水溶液二次電池提供了可靠的安全保障。鋰離子電池所用的電解質溶液含易燃的碳酸酯，且在電池過充電時正負極分解產生的氣體不能被吸收，電池存在安全隱患。二次電池的倍率性能決定其輸出功率大小及充電速度的快慢，這兩個指標在電動汽車應用中尤其重要。倍率性能取決于電池內阻，包括電子和離子傳輸(歐姆電阻）以及活性物質嵌脫鋰離子的電荷交換過程(反應電阻)的速度。與其他二次電池一樣，離子和電子在活性物質內部的傳輸速度很慢，提高鋰離子電池的倍率性能的難度很大。二次電池通過化學反應儲能，充放電過程不僅涉及化學物質的組成變化，還常常伴隨著晶相、體積和熱變化，以及電解質溶液的分解。這些變化導致電池容量下降、壽命終止。與其他二次電池相比，目前商品化的鋰離子電池循環壽命*長，但還需要進一步提升。成本是儲能技術推廣應用的*重要指標之一。目前商品化的鋰離子電池價格大約是鎳氫電池和鎳鎘電池的3～5倍，要實現廣泛應用，需要降低電池的制造成本。以上問題吸引了眾多研究團隊進入鋰離子電池領域，開展新材料、新體系、新裝配和新工藝的研究工作，并不斷取得新成果[6]。 通常來說，鈉離子電池主要由工作電極(正極具有較高的電壓平臺，負極具有較低的電壓平臺）、隔膜(玻璃纖維、聚丙烯或聚乙烯等）以及電解液(溶解在非質子極性溶劑中的鈉鹽)三部分組成（圖1.3)。而原料廣泛、成本低廉的鈉離子電池被公認為新一代綜合效能優異的儲能電池系統，但較低的能量密度和有限的循環壽命仍然是阻礙其商業化應用的主要挑戰。借鑒鋰離子電池的開發經驗，合理的改性工藝已經被證實可以明顯地提高鈉離子電池的電化學性能，尤其是在已建立的正極體系中。多年來，隨著科學技術的進步和可持續發展觀念的樹立，可再生能源的出現逐漸改變了全球能源的消費結構。為了將可再生能源整合到電網中，研發和生產可以快速充/放電、價格低廉以及能量密度高的大型儲能系統勢在必行。通過將鋰離子電池引入汽車市場作為混合動力電動車輛(HEVs)、插電式混合動力電動車輛(PHEVs)和電動車輛(EVs)的動力選擇，減少了人類對化石燃料的依賴。但是，全球鋰資源的行業集中度高，資源壟斷格局十分明顯，且可開采資源有限，這將導致鋰離子電池的價格大幅度提升，發展變得更加困難。 近年來，隨著科技的不斷發展，研究者們對鈉離子電池的研究更加深入和全面，對應的高性能電極材料的開發設計也得到了飛速發展。鈉是地殼中含量較為豐富的元素，主要以鹽的形式廣泛分布于陸地和海洋中[7]。含鈉材料的供應量較大，價格較低，為鈉離子電池的商業化生產提供了廉價的原料。目前，鈉離子電池正極材料的研究主要集中于過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍類化合物以及有機化合物。但是，每種類型的材料都存在一些特征缺點，諸如結構穩定性和電子電導率較差、工作電位和理論容量較低以及在有機電解液中的嚴重溶解等P-11]。得益于鋰離子電池體系中過渡金屬氧化物的研發，研究者們成功合成出了類
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