清洁能源领域中木质功能材料的广泛应用
清洁能源领域中木质功能材料的广泛应用
清洁能源论文范文第三篇：清洁能源领域中木质功能材料的广泛应用
摘要：能源短缺和环境污染等问题是当今社会的一大挑战，故而改良和开发清洁能源的需
求变得十分迫切。近年来，木质功能材料作为一个研究热点，在清洁能源领域有着广泛的应
用。木质功能材料是通过物理、化学、生物等木材功能性改良技术对木质材料进行优化，从而
克服木材自身的缺陷，增强或赋予木材适应用途需要功能的材料。为了推广木质功能材料在清
洁能源中的应用，将从木质功能材料在生物质能、电能、太阳能和其他清洁能源方面的研究与
应用进行综述，为进一步研究提供参考。
关键词：木质功能材料；复合；清洁能源；研究进展；
Abstract:At present, energy shortage and environmental pollution are major challenges in
today's society. Therefore, the demand to improve and develop clean energy has become quite urgent.
In recent years, wood functional materials, as a research hotspot, have been applied in many fields of
clean energy. Wood functional materials are a kind of materials that are optimized by technologies of
wood functional improvement, such as physics, chemistry, and biology. Through these technologies,
some defects of wood are overcome. Meanwhile, some functions of the wood are enhanced or endued
to meet the needs of use. In order to promote the application of wood functional materials in clean
energy, this paper summarizes the research and applications of wood functional materials in biomass
energy, electric energy, solar energy and other ones, and provides references for further research.
Keyword:functional wood materials; compound; clean energy; research progress;
0 引 言
随着化石燃料的大量使用，全球气候变暖的速度加快，使用清洁能源来替代化石燃料提供动力
已成为许多人的共识。特别是在新冠肺炎疫情席卷全球的危机中，清洁能源在抗击斗争中有着
不可小觑的作用。国际能源署执行董事 Dr Faith Birol[1]在《将发展清洁能源作为抗击新冠疫情
刺激计划的核心》中指明了抓住这个契机实现清洁能源转型的重要性，及其在刺激经济复苏方
面可能带来的积极作用。同时，我国是世界上生产与消费能源的第二大国家，处于发展黄金阶
段，能源需求较大[2].但是，传统的清洁能源转化装置中，转化效率高的成本高，成本降低转
化效率也会降低，两者往往很难达到一个平衡，所以寻找一种低成本而又转化效率高的环保型
材料刻不容缓。
我国是林业大国，拥有丰富的木材资源，而木材独特的材料结构和显著的各向异性赋予了它一
系列显著的性能，为功能材料的设计提供了机会[3].图1为木材在多个长度尺度上的分层和多
孔结构。从图1中可以分析得到，树木在 2.7 亿年的进化过程中经过优化得到的复杂结构使其
具有了高效的水分和养分输送体系、机械稳定性和耐久性[3],使其天然适合于改性。在此基础
上，为了实现木材资源化并提高木材利用率，人们将木质资源通过物理、化学、生物等技术进
行改性。改性得到的木质功能材料在清洁能源装置方面具有广阔的研究前景。为深入研究木质
功能材料，扩大其在清洁能源装置中的应用，提高资源利用率，本文就目前木质功能材料在生
物质能、电能、太阳能等清洁能源中的应用展开综述。
1 木质功能材料在生物质能方面的应用
生物质，包括高聚合物木质素、半纤维素、纤维素等，是由植物光合作用固定的碳合成的生物
材料，在被利用时会重新释放出 CO2 和水。有报道[4]指出，多数计算结果表明，与化石燃料
相比，在利用生物质能的过程中CO2 和氮、硫气态物质的量并不会额外增加，是更符合可持
续发展规律的[5,6,7].而目前将木材转化为生物质能的研究技术已经较为成熟，主要利用方法有
物理转化、化学转换等[4,7,8].
1.1 物理转化
物理转化主要是指压缩成型，即利用高温高压的挤压设备，将松散、破碎、无定形的木质材料
挤压成颗粒状、棒状或块状，从而获得质地坚硬、能量高效聚集的清洁型固化燃料[9].郭东升
[10]等总结了木质颗粒材料的典型生产流程，指出该流程生产出的燃料具有清洁环保，热效率
高，可循环等优势。木质颗粒燃料燃烧时的平均烟气排放量为 1.2 g/h,只占美国环保局规定排放
量的 16 %;同时测算结果表明，1.2 t 木质颗粒燃料产生的热量即可代替 1 t 煤的燃烧生热。由此
可以发现木质成型燃料具有良好的发展潜能，具有研究价值和应用前景，可将农作物秸秆、工
业木质废弃物、城市废弃木材等[9]回收利用，实现可持续发展。
我国生物质固体燃料技术突飞猛进，已经初具规模，但近年来的发展呈现先升后降的趋势[11].
生物质成型燃料主要用于城镇供暖、工业供热，利用量从 2010 年的 300 万吨迅速增长到2014
年的 850 万吨，而 2015 年开始回落至 800 万吨。个中原因与部分中小型生产车间环境不达标、
生物直燃发电带来环境污染密不可分。而根据《生物质能发展"十三五"规划》[12]的目标，到
2020 年生物质成型燃料的利用量要达到 3 000 万吨/年。所以，生物质固体成型燃料的发展还任
重而道远。
图1 木材在多个长度尺度上的分层和多孔结构
Fig 1 The hierarchical and porous structure of wood at multiple length scales
1.2 化学转化
化学转化技术包括直接燃烧、直接液化、气化、热裂解液化等。有效地利用目前产生的大量农
林业废物能在最大程度上减少当地对化石燃料的依赖，而对木质材料进行化学转化则是其中一
种潜在的选择[14].化学转化能优化脱除 S、N、O等杂原子的过程，从而生产出清洁燃料和化
工原料。
其中，热裂解液化是指在无氧或有限供氧的环境下，采用中等反应温度（450~600 ℃）、高升
温速率（103~105 ℃/s）和极短气体停留时间（小于 2 s），将木材的大分子热裂解为小分子的
过程。这种技术原料适应性强，产物利用率高，污染排放量低，应用范围广，但是工艺条件控
制难度大，不利于提高生物油的产率[14].
研究表明，热裂解的产物高效清洁，可连续转化，产品附加值高，故其研究价值较高[15].比如
其中间产物液态生物油富含酚类、醛类、糖类、酮类和醇类等活性物质，既是清洁燃料，还可
经分离提纯等合成化工或材料制品，甚至因其较大的比表面积和较强的吸附性能可以用来生产
碳材料、活性炭和土壤改良剂等；又如其固态产物热解炭在炼制过程中产生的 CO、H2、CH4
等不可凝气是理想的清洁燃气。
影响热裂解效果的因素很多，可总结为以下几种因素：
原料和组成：A.Han 等[16]运用分析热解的方法发现中密度纤维板和刨花板的热失重温度和反
应活化能相似。张宇等用同步热分析仪探究了阻燃剂硼酸-硼砂对刨花板热裂解特性的影响，
结果表明硼酸-硼砂抑制其热裂解过程，使热解温度范围减小，残炭比率上升[17].
热解技术：各种研究表明，热裂解温度是热解成效的重要影响因素之一。Ferreira[18]等采用螺
旋进料式热裂解反应器对中密度纤维板进行了热裂解研究，发现其产物分布主要受反应温度和
固相停留时间影响。梅远飞[19]在探究热蒸汽过滤器温度对松木屑热裂解产生的生物油的物理
化学特性、化学组成和反应机理等影响时，发现在生物质热裂解装置中热蒸汽过滤器温度分别
为350 和400 ℃时，获得的最大的液体有机相产率为 41.6%（质量分数），最大生物油产率为
58.7%（质量分数）。
产品的组成与特性：原料组成不仅会影响热裂解特性，也会增加热裂解中间产物组成和特性不
确定性，故而深入研究将推动中间产物高值化利用。Zbay 等[20]对废弃木质材料进行热裂解液
化，发现成分中的清漆种类影响着热解油产率和组成。其中在 500 ℃时含聚酯清漆样品的热解
油产率最大（46.7%），成分主要包括酚类、醛类、酸类、酮类、醇类、苯类和含氮物质等，
其中酚类物质最多。苟进胜等[21]采用固定床反应器的研究表明，热解炭产率高于木材，脲醛
树脂会在一定程度上抑制刨花板的热解。
热裂解技术是一项传统工艺，但是其高附加值和清洁环保的特性毋庸置疑。如何在传统工艺上
有所创新和突破、如何提高产品利用率仍是值得研究的方向，具有巨大的研究潜力。
2 木质功能材料在电能方面的应用
电能作为一种经济、实用，并且可再生的二次能源，满足了人们对于新能源的需求，是理想的
能源转化形式，可以为照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域提供动力来源[22].在当今对
电能有着大量需求的背景下，优异的储能器件的开发迫在眉睫。当前部分导电材料成本较高，
污染较大，因此寻求低成本的绿色导电材料具有现实意义。在对木质组织的显微镜观察，发现
树木生长过程中细胞会形成高度有序、相互连接的孔隙网络[23],这两个特点使得基于木材制备
的木质功能材料在作为新一代绿色导电材料方面具有独特优势。本节简要介绍木质功能材料在
超级电容器、新型电池两种绿色储能器件的应用方面的研究进展。
2.1 木质功能材料应用于超级电容器
超级电容器又称电化学电容器或超级电容，因具有高功率密度、高能量密度、快速充放电、长
循环寿命等优点而受到广泛关注，有着广泛的应用前景[24,25,26,27,28,29,30,31].但是超级电容
器仍然存在许多有待改进的地方，而木质功能材料的加入在一定程度上可以提高它的性能。为
此，将木质功能材料用于超级电容器的研究逐渐开展。
习赵维[25]将杉木等天然木材经高温碳化后制成薄片，如此改性后得到的木质材料，具有更大
的表面积和更丰富的孔隙结构，更有利于电子的传递和运输，能够有效提高电极性能。同时他
还将二氧化锰通过水热原位沉积后和得到的改性木材复合，在保持原来碳化木材的优良性能的
同时，由于二氧化锰的加入，电极稳定性得到提升。Chen 等[26]设计了一种新型的基于活性木
碳阳极、薄木膜分离器和MnO2/木碳阴极的全木结构非对称超级电容器，这种全木结构的超级
电容器展示了作为一种低成本、高质量负载、不可变形（因此安全且长寿命）、高能量/功率
密度和生物相容性的超级电容器用于绿色和可再生能源存储的巨大潜力。当木质素基电容器的
使用性能降低或无法使用时，可将其粉碎作为有机土壤改良剂，这样既做到了原料无害处理，
又能增强土壤肥力[27].叶伟杰[28]利用水热反应制备出了三维多孔木质素/石墨烯复合材料，该
材料孔隙丰富，比电容高，具有良好的倍率性能和循环稳定性。李正一[53]通过静电纺丝和热
处理等方法制备出了木质素基纳米碳纤维，该种材料比表面积大，电容保持率较高，并且内阻
较小，表现出良好性能。陈枫等[29]利用模板剂通过溶胶凝胶法合成具有高分散性的木质素基
复合材料，经测试后发现该材料具有优异电化学性能。Lv 等[30]报道了一种新型的机械柔性木
基全固态超级电容器，它是由聚吡咯（PPy）涂覆在木材横截面片（WTSS）制得的复合电极
首次组装而成，WTSS 基板三维蜂窝多孔结构和亲水性的特点使得 PPy 包覆的WTSS 电极具有
良好的比电容、面积功率和良好的循环稳定性。
2.2 木质功能材料应用于新型电池
电池是目前一项比较成熟的储能技术，可以极大满足人们对电能和移动式电源的需求。但是传
统的电池在电极材料等方面仍存在许多缺点，因此人们把目光转向了新型电池的开发，其中，
将木质功能材料应用于新型电池是一个有广泛研究空间的方向。
锂离子电池是新型电池中应用较为广泛的一种电池，将木质功能材料用于锂离子电池，可以降
低其成本、提升电池性能。叶伟杰[31]通过将纤维素分子引入到石墨烯表面制成了木质纤维
素/石墨烯复合材料，将其用于锂离子电池电极材料，可以提高石墨烯稳定性，利于锂离子的
扩散和传输，同时纤维素上的羟基与锂离子发生相互作用可以增大电极对电解液的保有能力。
他还发现碳化后的纤维和石墨烯复合后容量保持率大大提高。Wang 等[32]介绍了一种简单经济
又可大规模生产锂离子电池的高性能负极材料工艺。他们以木质素为原料，通过传统的静电纺
丝技术和热处理工艺制造出独立的碳纤维垫，而后与PEO 混合得到熔融碳纤维，这种碳纤维
电阻较低，电化学性能良好（比电容可达 445 mA·h·q-1），同时氮的掺杂可以进一步有效地提
高它们的比容量和电导率。他们[33]还制备了一种木质素与线性的 PVIM-co-PPEDMA 共聚物
（LCP）复合膜。LCP 通过包裹和结合木质素，与木质素之间形成了内部的物理交联网络，从
而得到了具有良好力学强度特性的聚合物木质素基单机膜，同时通过有机电解液对木质素基膜
的活化，得到性能优异的木质素基电解质膜。该膜在室温下具有优异的循环稳定性和速率能
力，甚至优于商用隔膜。
摘要：
展开>>
收起<<
清洁能源领域中木质功能材料的广泛应用清洁能源论文范文第三篇：清洁能源领域中木质功能材料的广泛应用 摘要：能源短缺和环境污染等问题是当今社会的一大挑战，故而改良和开发清洁能源的需求变得十分迫切。近年来，木质功能材料作为一个研究热点，在清洁能源领域有着广泛的应用。木质功能材料是通过物理、化学、生物等木材功能性改良技术对木质材料进行优化，从而克服木材自身的缺陷，增强或赋予木材适应用途需要功能的材料。为了推广木质功能材料在清洁能源中的应用，将从木质功能材料在生物质能、电能、太阳能和其他清洁能源方面的研究与应用进行综述，为进一步研究提供参考。 关键词：木质功能材料；复合；清洁能源；研究进展；Abst...
相关推荐
-
真空泵三维建模设计及CAD图纸
2023-01-10 316 -
人性化垃圾桶建模及二维图-机械创新设计
2023-01-10 281 -
自动包装机（V带传动说明书+三维+CAD）
2023-05-19 297 -
芋头清洗机（说明书+CAD图纸）
2023-05-19 230
-
手推式电动花生播种机设计[CAD图纸+设计说明书]
2023-05-19 352
-
一种立式机床主轴工作台结构设计8张CAD图纸
2023-05-26 133 -
M7130型卧轴矩台平面磨床-CAD全套图纸
2023-10-03 197 -
机床主轴箱展开图-侧面剖视图-机械毕业设计资料
2023-10-10 80 -
航空管道矫直机送料系统设计-CAD大全-机械毕业设计资料
2023-10-12 162 -
分类垃圾箱CAD图+SW三维设计
2023-10-24 164
作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
价格：2光币
属性：11 页
大小：39.4KB
格式：DOCX
时间：2023-08-11
