[發(fā)明專(zhuān)利]射頻等離子體改性快速制備酶解木質(zhì)素基富氮活性炭方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710259332.5
• 申請(qǐng)日: 2017-04-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107089659B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周曉燕;陳衛(wèi)民;陳敏智;史書(shū)凱;王鑫;徐娟;楊培;王翔
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/348
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/348;C01B32/354;H01G11/86;H01G11/34
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• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明是射頻等離子體改性快速制備酶解木質(zhì)素基富氮活性炭方法，屬于生物質(zhì)材料領(lǐng)域。其工藝是采用堿性水溶液萃取法對(duì)取自于生物燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)線的酶解木質(zhì)素進(jìn)行提純，再經(jīng)篩選、炭化、KOH活化后得到酶解木質(zhì)素基活性炭，用氮等離子體對(duì)其進(jìn)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(zhì)溶液中，最后與聚乙烯隔膜、集電極、聚四氟乙烯保護(hù)外殼以及引線組裝成超級(jí)電容器。經(jīng)氮等離子體處理后，在2～10分鐘內(nèi)使酶解木質(zhì)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(jí)電容器比電容較處理前提高20～60％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種射頻等離子體改性快速制備酶解木質(zhì)素基富氮活性炭的方法，屬于生物質(zhì)材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

酶解木質(zhì)素是從微生物酶解谷物、秸稈及農(nóng)業(yè)廢棄物制備能源燃料的殘?jiān)刑崛》蛛x得到的木質(zhì)素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用6-7噸微生物酶解玉米秸稈可以生產(chǎn)1噸燃料乙醇，但同時(shí)產(chǎn)生1噸殘?jiān)渲泻?0-50％的酶解木質(zhì)素。目前，我國(guó)燃料乙醇的產(chǎn)量為100多萬(wàn)噸，可從谷物、小麥、甘蔗、草、稻草、麥稈、玉米稈等多種生物質(zhì)中制取，國(guó)家發(fā)改委已提出了我國(guó)2020年燃料乙醇的產(chǎn)量達(dá)2000萬(wàn)噸的目標(biāo)。隨著生物質(zhì)燃料乙醇工業(yè)的發(fā)展，酶解木質(zhì)素必將成為一類(lèi)豐富的可再生資源。然而，酶解木質(zhì)素尚未得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)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(yán)重的資源浪費(fèi)。酶解木質(zhì)素的增值利用可顯著降低生物質(zhì)燃料乙醇的生產(chǎn)成本，有效提升生物質(zhì)燃料乙醇工業(yè)的經(jīng)濟(jì)活力。由于酶解木質(zhì)素不僅具有較高的炭得率，價(jià)格低廉，來(lái)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(rèn)為是制備活性炭的理想前驅(qū)體。

超級(jí)電容器是一種介于普通電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件，兼有普通電容器功率密度大和化學(xué)電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，而且充電速度快、使用溫度范圍寬(-25℃-90℃)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和國(guó)防科技等領(lǐng)域，具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。電極材料是影響超級(jí)電容器電化學(xué)性能的主要因素，因此，改進(jìn)電極材料的相關(guān)性能一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，活性炭是在以碳基材料作電極的超級(jí)電容器中最早和最廣泛被運(yùn)用的一種材料。活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)是影響超級(jí)電容器電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素，并且通過(guò)在活性炭表面負(fù)載目標(biāo)含氮活性官能團(tuán)能顯著提高超級(jí)電容器的儲(chǔ)電能力。目前，富氮處理通常是將活性炭置于含氮?dú)怏w氛圍下進(jìn)行2-4個(gè)小時(shí)的熱處理(250-450℃)，富氮過(guò)程耗能大，耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，其產(chǎn)業(yè)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(tài)或任何激發(fā)態(tài)形式的高能氣態(tài)原子和分子以及光量子組成的氣態(tài)復(fù)合體，其粒子的能量約從幾個(gè)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(shí)間內(nèi)(數(shù)分鐘內(nèi))足以使其原有化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，引入特定目標(biāo)官能團(tuán)，同時(shí)利用等離子體的刻蝕作用，在其表面形成大量納米級(jí)孔隙，改善材料孔徑結(jié)構(gòu)，大幅度提高比表面積。利用氮等離子體制備的酶解木質(zhì)素基多孔活性炭，具有較高的電化學(xué)性能。

本發(fā)明采用等離子體改性技術(shù)，快速高效地制備酶解木質(zhì)素基多孔富氮活性炭，使酶解木質(zhì)素變廢為寶，大幅度提高利用纖維素原料生產(chǎn)燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)纖維素燃料乙醇的工業(yè)化進(jìn)程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，利用生物質(zhì)資源-酶解木質(zhì)素制備多孔富氮活性炭，減少對(duì)不可再生資源的依賴(lài)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)碳材料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)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(tài)或任何激發(fā)態(tài)形式的高能氣態(tài)原子和分子以及光量子組成的含氮?dú)鈶B(tài)復(fù)合體)的物理和化學(xué)作用，在極短時(shí)間內(nèi)(數(shù)分鐘內(nèi))在酶解木質(zhì)素基炭材料表面形成大量納米級(jí)孔隙，大幅度增加其比表面積，并在表面引入目標(biāo)含氮官能團(tuán)，顯著提高其比電容，獲得電化學(xué)性能優(yōu)異的多孔富氮酶解木質(zhì)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(fā)明的技術(shù)解決方案：射頻等離子體改性快速制備酶解木質(zhì)素基富氮活性炭方法是按以下步驟完成的：