[發明專利]射頻等離子體改性快速制備酶解木質素基富氮活性炭方法

有效

• 申請號: 201710259332.5
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN107089659B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 周曉燕;陳衛民;陳敏智;史書凱;王鑫;徐娟;楊培;王翔
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/354;H01G11/86;H01G11/34
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本發明是射頻等離子體改性快速制備酶解木質素基富氮活性炭方法，屬于生物質材料領域。其工藝是采用堿性水溶液萃取法對取自于生物燃料乙醇工業化生產線的酶解木質素進行提純，再經篩選、炭化、KOH活化后得到酶解木質素基活性炭，用氮等離子體對其進行改性后與聚四氟乙烯乳液和乙炔黑混合、碾壓、干燥，壓制在泡沫鎳上制得電極片，將電極片真空浸漬于KOH電解質溶液中，最后與聚乙烯隔膜、集電極、聚四氟乙烯保護外殼以及引線組裝成超級電容器。經氮等離子體處理后，在2～10分鐘內使酶解木質素基活性炭的比表面積提高5～30％，微孔比例增至95％以上，氮元素含量提高4～12倍，用其制備的超級電容器比電容較處理前提高20～60％。

技術領域

本發明涉及一種射頻等離子體改性快速制備酶解木質素基富氮活性炭的方法，屬于生物質材料領域。

背景技術

酶解木質素是從微生物酶解谷物、秸稈及農業廢棄物制備能源燃料的殘渣中提取分離得到的木質素。據統計，用6-7噸微生物酶解玉米秸稈可以生產1噸燃料乙醇，但同時產生1噸殘渣，其中含有40-50％的酶解木質素。目前，我國燃料乙醇的產量為100多萬噸，可從谷物、小麥、甘蔗、草、稻草、麥稈、玉米稈等多種生物質中制取，國家發改委已提出了我國2020年燃料乙醇的產量達2000萬噸的目標。隨著生物質燃料乙醇工業的發展，酶解木質素必將成為一類豐富的可再生資源。然而，酶解木質素尚未得到進一步開發利用，研究層面僅是作為固體燃料直接燒掉，附加值低，造成了嚴重的資源浪費。酶解木質素的增值利用可顯著降低生物質燃料乙醇的生產成本，有效提升生物質燃料乙醇工業的經濟活力。由于酶解木質素不僅具有較高的炭得率，價格低廉，來源豐富，而且其制備的多孔活性炭比表面積高，孔徑分布適宜，被認為是制備活性炭的理想前驅體。

超級電容器是一種介于普通電容器與電池之間的新型儲能元件，兼有普通電容器功率密度大和化學電池能量密度高的優點，而且充電速度快、使用溫度范圍寬(-25℃-90℃)、循環壽命長、對環境無污染，廣泛應用于移動通訊、信息技術、消費電子、電動汽車、航空航天和國防科技等領域，具有極其重要和廣闊的應用前景。電極材料是影響超級電容器電化學性能的主要因素，因此，改進電極材料的相關性能一直是該領域的研究熱點。目前，活性炭是在以碳基材料作電極的超級電容器中最早和最廣泛被運用的一種材料。活性炭的孔徑結構是影響超級電容器電化學性能的關鍵因素，并且通過在活性炭表面負載目標含氮活性官能團能顯著提高超級電容器的儲電能力。目前，富氮處理通常是將活性炭置于含氮氣體氛圍下進行2-4個小時的熱處理(250-450℃)，富氮過程耗能大，耗時長，導致生產成本高，生產周期長，生產效率低，其產業化推廣受到極大的限制。等離子體是一種由大量電子、任一極性的離子、以基態或任何激發態形式的高能氣態原子和分子以及光量子組成的氣態復合體，其粒子的能量約從幾個電子伏到幾千電子伏，用這些高能活性粒子作用于活性炭表面，在極短時間內(數分鐘內)足以使其原有化學鍵發生斷裂，引入特定目標官能團，同時利用等離子體的刻蝕作用，在其表面形成大量納米級孔隙，改善材料孔徑結構，大幅度提高比表面積。利用氮等離子體制備的酶解木質素基多孔活性炭，具有較高的電化學性能。

本發明采用等離子體改性技術，快速高效地制備酶解木質素基多孔富氮活性炭，使酶解木質素變廢為寶，大幅度提高利用纖維素原料生產燃料乙醇的經濟效益，對于推進我國纖維素燃料乙醇的工業化進程具有重要的現實意義。同時，利用生物質資源-酶解木質素制備多孔富氮活性炭，減少對不可再生資源的依賴，對于促進我國碳材料工業的可持續發展具有重要的現實意義。

發明內容

本發明的目的是利用氮等離子體(即由電子、任一極性的離子、以基態或任何激發態形式的高能氣態原子和分子以及光量子組成的含氮氣態復合體)的物理和化學作用，在極短時間內(數分鐘內)在酶解木質素基炭材料表面形成大量納米級孔隙，大幅度增加其比表面積，并在表面引入目標含氮官能團，顯著提高其比電容，獲得電化學性能優異的多孔富氮酶解木質素基炭材料。這種炭材料可用于制備高性能，低成本的雙電層電容器。

本發明的技術解決方案：射頻等離子體改性快速制備酶解木質素基富氮活性炭方法是按以下步驟完成的：