[發(fā)明專利]一種中空管狀生物碳的制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610285828.5
• 申請(qǐng)日: 2016-04-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105776182A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃劍鋒;李文斌;任一杰;李瑞梓;費(fèi)杰;曹麗云;王海靜;羅曉敏;井宣人;聞稼寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/02
• 分類號(hào): C01B31/02;H01M4/583;H01M4/133;H01M4/1393;H01G11/40;H01G11/86
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬(wàn)壽

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于三維碳材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種中空管狀生物碳的制備方法及應(yīng) 用。

【背景技術(shù)】

鋰離子電池由于具有工作電壓高、容量高、自放電小和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于便 攜式電子市場(chǎng)，并成為電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)用動(dòng)力電源的首要選擇，但是，隨著電動(dòng)汽 車、智能電網(wǎng)時(shí)代的真正到來(lái)，全球的鋰資源將無(wú)法有效滿足動(dòng)力鋰離子電池的巨大需求 [TarasconJM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature, 2001,414(6861):359-367]。鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是 替代鋰離子電池作為下一代電動(dòng)汽車動(dòng)力電源及大規(guī)模儲(chǔ)能電站配套電源的理想選擇。因此， 探尋高容量及優(yōu)異循環(huán)性能的儲(chǔ)鈉電極材料已成為目前電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[SlaterMD,Kim D,LeeE,etal.Sodium‐IonBatteries[J].AdvancedFunctionalMaterials,2013,23(8):947-958]。鈉 離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成。其中，正、負(fù)極材料是電池的核心部件，其性能直 接決定了電池的電化學(xué)性能。目前，可能用作鈉離子電池的負(fù)極主要有碳基負(fù)極材料(如石墨、 中間相碳微球、乙炔黑、碳纖維、聚合物熱解碳等)、合金類負(fù)極材料(如Si、Ge、Sn、Pb、 P、Sb等)以及部分金屬氧化物、鈦酸鹽等儲(chǔ)鈉負(fù)極材料。

傳統(tǒng)的制備碳材料的原料大多為煤炭等化石資源，屬于不可再生資源，并日益枯竭，因此 以生物質(zhì)為碳源制備各種碳材料是各國(guó)科研工作者的研究熱點(diǎn)。目前，生物質(zhì)碳材料已經(jīng)應(yīng)用 于鋰離子電池、鈉離子電池、超級(jí)電容器、氣體存儲(chǔ)以及吸附等領(lǐng)域[YaoY,WuF.Naturally derivednanostructuredmaterialsfrombiomassforrechargeablelithiumbatteries[J].NanoEnergy, 2015,17:91-103]，生物質(zhì)來(lái)源主要可以分為殼類(如咖啡殼、種子殼、胡桃殼、開(kāi)心果殼、椰 子殼、雞蛋殼、花生殼和谷殼等)、食物類(如谷粒、馬鈴薯淀粉、茶葉、向日葵和蔗渣等) 以及非食物類(如麥秸、櫻桃核廢物、高粱髓、竹子、冷杉木和木薯皮等)等。然而，上述生 物碳制備方法主要是兩步煅燒，這種簡(jiǎn)單的處理方式很難使生物質(zhì)原有的結(jié)構(gòu)得到保留，并對(duì) 其進(jìn)行控制。

木棉纖維是錦葵目木棉科內(nèi)幾種植物的果實(shí)纖維，屬單細(xì)胞纖維，其附著于木棉蒴果殼體 內(nèi)壁，由內(nèi)壁細(xì)胞發(fā)育、生長(zhǎng)而成。一般長(zhǎng)約8～32mm、直徑約20～45μm。它是天然生態(tài)纖維 中最細(xì)、最輕、中空度最高、最保暖的纖維材質(zhì)。它的細(xì)度僅有棉纖維的1/2，中空率卻達(dá)到 86％以上，是一般棉纖維的2～3倍。具有光潔、抗菌、防蛀、防霉、輕柔、不易纏結(jié)、不透水、 不導(dǎo)熱，生態(tài)、保暖、吸濕性強(qiáng)等特點(diǎn)。木棉纖維由于其獨(dú)特的機(jī)構(gòu)，已經(jīng)廣泛地被用作家紡 面料、填充料、隔熱和吸聲材料。但是，關(guān)于將其碳化后用作鋰/鈉離子電池、超級(jí)電容器、 吸附劑及模板劑的研究卻鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的在于提供一種中空管狀生物碳的制備方法及應(yīng)用，這種方法工藝簡(jiǎn)單易控， 能夠很好地在保持其原有結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)木棉纖維的碳化和活化，并能夠通過(guò)控制水熱和煅 燒溫度實(shí)現(xiàn)木棉纖維中空管內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)的控制。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種中空管狀生物碳的制備方法，首先采用水熱反應(yīng)對(duì)木棉纖維進(jìn)行碳化，然后將碳化后 的木棉纖維在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行煅燒，將煅燒后的木棉纖維冷卻、洗滌干凈、收集、干燥即 可；所述水熱反應(yīng)的溫度為140～200℃，煅燒的溫度為300～1200℃。

進(jìn)一步地，所述水熱反應(yīng)是在填充比為30％～80％的條件下，以5～10℃/min的升溫速率 由室溫升溫至140～200℃，反應(yīng)6～24h。

進(jìn)一步地，將所述木棉纖維放置于水熱釜內(nèi)襯后，向其中加入酸性溶液，攪拌均勻并保證 木棉纖維全部分散，再進(jìn)行水熱反應(yīng)。

進(jìn)一步地，所述酸性溶液為硫酸溶液、硝酸溶液、鹽酸溶液或磷酸溶液。

進(jìn)一步地，水熱反應(yīng)完成后，對(duì)反應(yīng)后的溶液進(jìn)行抽濾，先后用去離子水和無(wú)水乙醇進(jìn)行 洗滌，以去除水熱反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。