УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА НА ОСНОВЕ ОРГАНОСОЛЬВ ЛИГНИНА, ПОЛУЧЕННОГО ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ, ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Аннотация

В данном исследовании изучена возможность переработки древесных отходов для получения органосольв лигнина, пригодного в качестве прекурсора для углеродных волокнистых материалов. В качестве сырья использовали смешанные древесные отходы, опилки сосны и опилки вяза. Лигнин выделяли органосольв-методом с использованием смеси муравьиной и уксусной кислот, что позволяет снизить использование агрессивных реагентов и способствует экологически безопасной переработке биомассы. Структурные, морфологические и термические свойства полученных образцов лигнина исследовали с использованием сканирующей электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса, термогравиметрического анализа и Раман-спектроскопии. Выделенный лигнин содержал ароматические, фенольные, гидроксильные, метоксильные и метильные функциональные группы. Данные спектроскопии ядерного магнитного резонанса выявили преобладание сирингильных структурных фрагментов над гваяцильными, что указывает на благоприятную термическую стабильность для последующей карбонизации. На основе полученного лигнина методом электроспиннинга были изготовлены композитные волокна с использованием полиакрилонитрила в качестве полимера для формования. Исследовано влияние состава прядильного раствора и условий термической обработки на морфологию и структуру волокон. Оптимальным оказалось соотношение лигнина и полиакрилонитрила 30:70, обеспечивающее формирование непрерывных бездефектных волокон со средним диаметром около 97 нм. После карбонизации при 800 °C в атмосфере азота были получены углеродные нановолокна со средним диаметром около 47 нм и развитой пористой структурой. Полученные результаты демонстрируют перспективность органосольв лигнина из древесных отходов в качестве возобновляемого прекурсора для получения углеродных нановолокон и электродных материалов для систем хранения энергии. Углеродные волокна после карбонизации характеризовались развитой удельной поверхностью 549,7 м2/г, при этом образец, карбонизированный при 800 °C, продемонстрировал наилучшие электрохимические характеристики: удельную ёмкость 136,4 Ф/г для суперконденсаторов и разрядную ёмкость 797 мА·ч/г для литий-ионных батарей.