水稻秸秆与PVC共热解制备炭材料及其电化学性能研究

张启昂; 吴子越; 王薇; 柯梅容; 汪威尔; 高艳飞; 王焦飞

doi:10.20176/j.cnki.nxdz.20260908

Chinese

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

水稻秸秆与PVC共热解制备炭材料及其电化学性能研究

更新时间：2026-09-04

- 水稻秸秆与PVC共热解制备炭材料及其电化学性能研究
- Study on Co-pyrolysis of Rice Straw and PVC for the Preparation of Carbon Materials and Their Electrochemical Performance
- 宁夏大学学报(自然科学版中英文) 2026年页码：1-11
- 作者机构：
  
  宁夏大学化学化工学院，宁夏银川 750021
- 作者简介：
  
  张启昂（2003—），硕士研究生，主要从事生物质、低值含碳废弃物等含碳基质的热转化及催化转化研究，(电子信箱)15856589868@163.com。
  王焦飞（1989—），男，副研究员，博士，博士研究生导师，主要从事煤、生物质、低值含碳废弃物等含碳基质的热转化及催化转化研究，(电子信箱)wjfdafei@nxu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金地区科学基金项目(22468041);宁夏自然科学基金优秀青年项目(2024 AAC05007);宁夏大学大学生创新创业训练计划项目(S202410749119)
- DOI：10.20176/j.cnki.nxdz.20260908
  中图分类号：
- 收稿：2026-01-29，
  
  网络首发：2026-09-04，
- 稿件说明：
移动端阅览
张启昂，吴子越，王薇，等.水稻秸秆与PVC共热解制备炭材料及其电化学性能研究［J］.宁夏大学学报（自然科学版中英文），XXXX，XX（XX）：1-11.

ZHANG Qiang，WU Ziyue，WANG Wei，et al.Study on the Preparation of Carbon Materials from Co-pyrolysis of Rice Straw and PVC and Their Electrochemical Performance［J］.Journal of Ningxia University （Natural Science Edition in Chinese and English），XXXX，XX（XX）：1-9.
张启昂，吴子越，王薇，等.水稻秸秆与PVC共热解制备炭材料及其电化学性能研究［J］.宁夏大学学报（自然科学版中英文），XXXX，XX（XX）：1-11. DOI： 10.20176/j.cnki.nxdz.20260908.

ZHANG Qiang，WU Ziyue，WANG Wei，et al.Study on the Preparation of Carbon Materials from Co-pyrolysis of Rice Straw and PVC and Their Electrochemical Performance［J］.Journal of Ningxia University （Natural Science Edition in Chinese and English），XXXX，XX（XX）：1-9. DOI： 10.20176/j.cnki.nxdz.20260908.

摘要

为实现生物质与废塑料高效资源化协同利用，以水稻秸秆（RS）与聚氯乙烯（PVC）为原料，采用共热解方法，制备高性能电容炭材料（PR），探讨共热解工艺的反应路径及PR的结构与性能之间构效关系。采用焦耳加热装置进行快速共热解实验，通过改变热解温度（

=500、600、700、800 ℃）和原料配比（

（PVC）∶

（RS）=3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3），制备一系列多孔PR。采用热重分析仪（thermogravimetry-derivative thermogravimetry，TG-DTG）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope， SEM）、拉曼光谱（Raman spectroscopy， Raman）及傅里叶变换红外光谱（Fouri

er transform infrared spectroscopy， FTIR）等表征PR的微观形貌、石墨化程度及官能团特征；采用三电极体系测试PR的双电层电容储能性能及电催化析氢反应（hydrogen evolution reaction，HER）性能。结果表明，在RS、PVC共热解体系中存在显著正协同效应，RS能够有效降低PVC的起始分解温度，提高热解速率；随着

升高，PR的石墨化程度和缺陷密度（

值）增大，但

700 ℃时PR中孔隙结构坍塌，阻碍电解液中离子传输；当

600 ℃、

（PVC）∶

（RS）=1∶3时，热解制得PR具有分级多孔结构和适宜缺陷结构（

≈2.0），表现出最优电化学性能，即电化学有效表面积对应的双层电容（

）达到最大值（1.318 5 μF/cm

），同时具有最低析氢过电位。RS的引入，不仅构建了发达的离子传输通道，还通过协同效应抑制了PVC热解过程中不利副反应，为低成本、高性能碳基储能材料的开发提供了参考。

Abstract

To achieve the efficient and synergistic resource utilization of biomass and waste plastics， a co-pyrolysis method of rice straw （RS） and polyvinyl chloride （PVC） was employed to prepare high-performance capacitor carbon materials （PR）. This study investigates the reaction pathways of the co-pyrolysis process and the structure-performance relationship of PR. A Joule heating device was used for rapid co-pyrolysis experiments， where the pyrolysis temperature （

=500， 600， 700， 800 ℃） and the material ratio （

（PVC）∶

（RS）=3∶1， 2∶1， 1∶1， 1∶2， 1∶3） were adjusted to produce a series of porous PRs. The micro-morphology， graphitization degree， and functional group characteristics of PR were characterized using thermogravimetry-derivative thermogravimetry （TG-DTG）， scanning electron microscopy （SEM）， Raman spectroscopy， and Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）. The electrochemical double-layer capacitance storage performance and hydrogen evolution reaction （HER） performance were tested using a three-electrode system. The results indicate a significant positive synergistic effect in the RS and PVC co-pyrolysis system， where RS effectively lowers the initial decomposition temperature of PVC and enhances the pyrolysis rate. As the

temperature increases， the graphitization degree and defect density （

） of PR increase； however， when

700 ℃， the pore structure of PR collapses， hindering ion transport in the electrolyte. When

=600 ℃ and

（PVC）∶

（RS）=1∶3， the pyrolyzed PR exhibits a hierarchical porous structure and suitable defect structure （

≈2.0）， demonstrating optimal electrochemical performance， with the electrochemically active surface area corresponding to the double-layer capacitance （

） reaching its maximum value （1.318 5 μF/cm²） and exhibiting the lowest hydrogen evolution overpotential. The incorporation of RS not only constructs a developed ion transport channel but also mitigates the adverse effects arising from the PVC pyrolysis process through the synergistic effect， providing a reference for the development of low-cost， high-performance carbon-based energy storage materials.

关键词

Keywords

references

Manasa P ， Sambasivan S ， Ran Fen . Recent progress on biomass waste derived activated carbon electrode materials for supercapacitors applications：A review ［J］. Journal of Energy Storage ， 2022 ， 54 ： 105290 . DOI： 10.1016/j.est.2022.105290 http://dx.doi.org/10.1016/j.est.2022.105290 .

Demirbaş A . Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals ［J］. Energy conversion and Management ， 2001 ， 42 （ 11 ）： 1357 - 1378 .

Wu Yunfei ， Wang Guijin ， Zhu Jialong ， et al . Insight into synergistic effect of co-pyrolysis of low-rank coal and waste polyethylene with or without additives using rapid infrared heating ［J］. Journal of the Energy Institute ， 2022 ， 102 ： 384 - 394 .

秦雪珂，侯普光，马艳霞 . 玉米秸秆的热解处理及影响因素［J］. 山东农业大学学报（自然科学版）， 2021 ， 52 （ 2 ）： 257 - 60 .

Li Junjie ， Ma Xiaoqian ， Yu Zhaosheng ， et al . Green synthesis of N， O， P co-doped porous carbon from co-pyrolysis of bamboo and ammonium polyphosphate for supercapacitors ［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis ， 2024 ， 178 ： 106427 . DOI： 10.1016/j.jaap.2024.106427 http://dx.doi.org/10.1016/j.jaap.2024.106427 .

Zhou Xiaoli ， He Pinjing ， Peng Wei ， et al . Upcycling waste polyvinyl chloride： One-pot synthesis of valuable carbon materials and pipeline-quality syngas via pyrolysis in a closed reactor ［J］. Journal of Hazardous Materials ， 2022 ， 427 ： 128210 . DOI： 10.1016/j.jhazmat. 2021.128210 http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.128210 .

Zhao Qianqian ， Meng Wei ， Liu Haizhou ， et al . Recycling polyvinyl chloride plastics into hard carbon： Influence of functional groups on structural and electrochemical properties ［J］. Science China Materials ， 2026 ， 69 （ 4 ）： 1978 - 1985 .

Burra K ， Gupta A . Synergistic effects in steam gasification of combined biomass and plastic waste mixtures ［J］. Applied Energy ， 2018 ， 211 ： 230 - 236 .

毛俏婷，胡俊豪，赵雨佳，等 . 生物质和废塑料混合热解协同特性研究［J］. 燃料化学学报， 2020 ， 48 （ 3 ）： 286 - 92 .

Jakab E ， Varhegyi G ， Faix O . Thermal decomposition of polypropylene in the presence of wood-derived materials ［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis ， 2000 ， 56 （ 2 ）： 273 - 285 .

Wang Yuchen ， Liu Yaoyu ， Huang Xiongfei ， et al . Fe nanoclusters anchored in biomass waste-derived porous carbon nanosheets for high-performance supercapacitor ［J］. Chinese Chemical Letters ， 2024 ， 35 （ 8 ）： 109301 . DOI： 10.1016/j.cclet.2023.109301 http://dx.doi.org/10.1016/j.cclet.2023.109301 .

林雪玲，陈治鹏，潘凤春，等 . Gd掺杂Li 4 Ti 5 O 12 电化学特性的第一性原理研究［J］. 宁夏大学学报（自然科学版）， 2016 ， 37 （ 3 ）： 332 - 338 .

洪建成，田虎，何桐雨，等 . 面向高效储氢的生物质多孔炭材料［J］. 宁夏大学学报（自然科学版中英文）， 2025 ， 46 （ 2 ）： 108 - 124 .

Raj C J ， Rajesh M ， Manikandan R ， et al . High electrochemical capacitor performance of oxygen and nitrogen enriched activated carbon derived from the pyrolysis and activation of squid gladius chitin ［J］. Journal of Power Sources ， 2018 ， 386 ： 66 - 76 .

Wu Zongshuai ， Ren Wencai ， Xu Li ， et al . Doped graphene sheets as anode materials with superhigh rate and large capacity for lithium ion batteries ［J］. ACS nano ， 2011 ， 5 （ 7 ）： 5463 - 5471 .

Abnisa F ， Daud W M A W . A review on co-pyrolysis of biomass： An optional technique to obtain a high-grade pyrolysis oil ［J］. Energy Conversion and Management ， 2014 ， 87 ： 71 - 85 .

Brachi P ， Chirone R ， Miccio F ， et al . Fluidized bed co-gasification of biomass and polymeric wastes for a flexible end-use of the syngas： Focus on bio-methanol ［J］. Fuel ， 2014 ， 128 ： 88 - 98 .

Uzoejinwa B B ， He Xiuhua ， Wang Shuang ， et al . Co-pyrolysis of biomass and waste plastics as a thermochemical conversion technology for high-grade biofuel production： Recent progress and future directions elsewhere worldwide ［J］. Energy Conversion and Management ， 2018 ， 163 ： 468 - 492 .

张玉洁，王焦飞，卫俊涛，等 . 碱金属赋存形态对水稻秸秆热解过程的影响机制［J］. 燃料化学学报， 2021 ， 49 （ 6 ）： 752 - 758 .

杨冬，陈清文 . 北方地区典型生物质的热重分析及动力学研究［J］. 燃烧科学与技术， 2014 ， 20 （ 4 ）： 319 - 322 .

许丹 . 生物质和塑料废弃物热解催化协同制备高品位燃料和积碳特性调控的研究［D］. 南京：东南大学， 2022 ： 35 .

Aguayo A T ， Castaño P ， Mier D ， et al . Effect of cofeeding butane with methanol on the deactivation by coke of a HZSM-5 zeolite catalyst ［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research ， 2011 ， 50 （ 17 ）： 9980 - 9988 .

Santamaria L ， Lopez G ， Arregi A ， et al . Stability of different Ni supported catalysts in the in-line steam reforming of biomass fast pyrolysis volatiles ［J］. Applied Catalysis B： Environmental ， 2019 ， 242 ： 109 - 120 .

Ji Qingmin ， Honma I ， Paek S M ， et al . Layer‐by‐layer films of graphene and ionic liquids for highly selective gas sensing ［J］. Angewandte Chemie ：International Edition ， 2010 ， 49 （ 50 ）： 9737 - 9739 .

韩冬 . 生物质与塑料共催化热解制备芳烃实验研究［D］. 济南：齐鲁工业大学， 2024 ： 26 .

Mosch H L ， Akintola O ， Plass W ， et al . Specific surface versus electrochemically active area of the carbon/polypyrrole capacitor： Correlation of ion dynamics studied by an electrochemical quartz crystal microbalance with BET surface ［J］. Langmuir ， 2016 ， 32 （ 18 ）： 4440 - 4449 .

曾凡恩 . 生物质多孔碳材料的制备及电化学性能的研究［D］. 大连：大连交通大学， 2024 ： 33 - 38 .

Orrego-ruiz J A ， Cabanzo R ， Mejía-ospino E . Study of Colombian coals using photoacoustic Fourier transform infrared spectroscopy ［J］. International Journal of Coal Geology ， 2011 ， 85 （ 3/4 ）： 307 - 310 .

田金凤 . ［FeFe］氢化酶模拟物提升CdS光催化产氢性能研究［D］. 银川：宁夏大学， 2024 ： 40 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

零价铁材料处理酸性矿山废水的固体产物资源化利用研究进展

基于分数阶微分与多维光谱指数的土壤盐分高光谱反演——以宁夏平罗县为例

粉煤灰基土壤调理剂对盐碱地土壤-作物系统的影响评估

宁夏枸杞抗坏血酸过氧化物酶基因LbAPX1的克隆及耐盐功能分析

细胞外囊泡调控肿瘤机制及诊疗应用进展