I. Vật liệu carbon từ sinh khối thực vật
Vật liệu carbon từ sinh khối thực vật, đặc biệt là rơm, đang được nghiên cứu rộng rãi do tính bền vững và khả năng tái tạo. Rơm là nguồn nguyên liệu giàu carbon, chiếm khoảng 40% thành phần hóa học. Việc chuyển hóa rơm thành vật liệu carbon không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Nghiên cứu điều chế vật liệu này tập trung vào các phương pháp như carbon hóa thủy nhiệt và biến tính hóa học để cải thiện tính chất vật lý và hóa học.
1.1. Phương pháp điều chế
Các phương pháp điều chế vật liệu carbon từ rơm bao gồm carbon hóa thủy nhiệt (HTC) và biến tính bằng muối kim loại. Carbon hóa thủy nhiệt là quá trình xử lý rơm trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao, tạo ra than sinh học (BC) với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn. Biến tính bằng muối kim loại như FeCl3 giúp tăng cường tính chất từ tính của vật liệu, tạo ra than sinh học từ tính (MC), có khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải.
1.2. Tính chất vật liệu
Vật liệu carbon từ rơm có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Các tính chất này được cải thiện thông qua quá trình biến tính, tạo ra vật liệu composite với khả năng ứng dụng đa dạng. Phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy cấu trúc vi mô và thành phần hóa học của vật liệu.
II. Ứng dụng của vật liệu carbon biến tính
Vật liệu carbon biến tính từ rơm có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý môi trường đến công nghiệp năng lượng. Ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp là hai hướng nghiên cứu chính, với tiềm năng lớn trong việc tạo ra các vật liệu composite bền vững và hiệu quả.
2.1. Ứng dụng trong xử lý môi trường
Vật liệu carbon biến tính được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm xanh methylene (MB) và kim loại nặng như arsenic (As) từ nước thải. Các nghiên cứu cho thấy than sinh học từ tính (MC) có khả năng hấp phụ cao và có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí xử lý môi trường.
2.2. Ứng dụng trong công nghiệp năng lượng
Vật liệu carbon từ rơm cũng được nghiên cứu để làm vật liệu điện cực trong pin Li-ion và siêu tụ điện. Các vật liệu như than hoạt tính biến tính (ACN) và than hoạt tính đồng biến tính N và Mn (ACNMn) cho thấy hiệu suất điện hóa cao, với điện dung riêng lên đến 200 F/g, mở ra tiềm năng ứng dụng trong lưu trữ năng lượng.
III. Phân tích hóa học và đánh giá hiệu quả
Phân tích hóa học và đánh giá hiệu quả của vật liệu carbon biến tính từ rơm là bước quan trọng để xác định tính khả thi và tiềm năng ứng dụng. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để đánh giá cấu trúc và thành phần của vật liệu.
3.1. Phân tích cấu trúc và thành phần
Phân tích bằng XRD và FTIR cho thấy cấu trúc tinh thể và các nhóm chức hóa học trên bề mặt vật liệu carbon. SEM và TEM cung cấp hình ảnh chi tiết về cấu trúc vi mô và phân bố kích thước lỗ xốp, giúp hiểu rõ hơn về khả năng hấp phụ và tính chất điện hóa của vật liệu.
3.2. Đánh giá hiệu quả ứng dụng
Các thử nghiệm hấp phụ và đo điện hóa được thực hiện để đánh giá hiệu quả của vật liệu carbon trong xử lý môi trường và lưu trữ năng lượng. Kết quả cho thấy than sinh học từ tính (MC) có khả năng hấp phụ MB và As hiệu quả, trong khi than hoạt tính biến tính (ACN) cho thấy hiệu suất điện hóa cao trong siêu tụ điện.
