[發(fā)明專利]一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法及其應用

在審

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• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107154487A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設計）人: 王華;楊杰;于丹丹;楊昀;郭林
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/60;H01G11/86
• 代理公司: 北京慕達星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙)11465
• 代理人: 王鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能源存儲材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法及其應用。

背景技術(shù)

能源是人類社會發(fā)展的基石，開發(fā)和利用新的清潔能源對于全人類的生存和可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。而可反復充放電的鋰離子、鈉離子電池和超級電容器作為新型的能源存儲和供電器件，具有循環(huán)壽命長、無記憶效應、和適宜的能量密度或者功率密度等優(yōu)點，不僅是目前無數(shù)便攜式電子產(chǎn)品的主要供能設備，而且在電動汽車、航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。因此，大力發(fā)展可充放電電池、超級電容器等新型能源存儲器件，已成為新能源體系的重要組成部分。通常，鈉、鋰離子電池和超級電容器的比容量、循環(huán)壽命、工作電壓等性能指標主要是由電極材料的性能所決定。因此，各國科研工作者在電極材料的研究方面開展了大量的工作，當前主要集中在新材料、新制備方法、新改性途徑等方面。傳統(tǒng)的電極材料是一些具有電化學活性的過渡金屬化合物，碳材料以及部分有機材料。這些電極材料展現(xiàn)了較好的性能，已經(jīng)部分被應用于商業(yè)化二次電池或者超級電容器，并且展現(xiàn)出了可觀的市場價值。但是，還面臨著各種各樣的問題。例如，基于過渡金屬化合物的電極材料，面臨著因資源過度開采而造成不斷攀升的制造成本；有機材料面臨著電化學穩(wěn)定性問題，循環(huán)性能較差；碳材料只能用作電池負極。因此，構(gòu)建新型、廉價、高效的能源存儲材料是發(fā)展二次電源的重要方向。

隨著我國近代工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，水污染日益嚴重。有機染料污染是水體最主要污染源之一，并且大多數(shù)有機染料都具有生物毒性和致畸致癌性，在自然環(huán)境中極難降解，導致受污染水域生態(tài)平衡遭受嚴重破壞，對人類和其他生物的健康構(gòu)成極大的威脅。隨著各種染料的廣泛使用，有10％～15％的染料在生產(chǎn)和使用過程中釋放到環(huán)境中，不僅破壞水體的生態(tài)平衡，也浪費大量寶貴的化工原料。通過對三大類應用最廣泛的染料(含氮類染料、蒽醌類染料及三苯基甲烷類染料)的分子結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)部分含氮類染料、蒽醌染料都含有可逆的氧化還原電對。比如，典型的含氮類染料分子如中性紅，具有吩嗪類氧化還原官能團；亞甲基藍，具有吩噻嗪類氧化還原官能團；蒽醌類染料，如茜素紅，在一定條件下，較容易實現(xiàn)蒽醌基和氫醌基的互變反應，因此具有可逆氧化還原活性。當然，有些具有氧化還原活性的染料分子同時含有較多無效官能團，其質(zhì)量比容量可能不大，但是跟其它材料復合后，其長度、面積或體積比容量可能會比較優(yōu)越。因此，從理論上說部分染料分子具備一定的電荷存儲能力。換言之，部分有機染料廢棄物有望被資源化成為能源存儲材料。

面臨染料廢水帶來的生態(tài)危害，以及開發(fā)新能源存儲材料的迫切需求，將有機染料廢棄物進行資源化利用，不僅能構(gòu)筑高效的、基于廢棄染料分子的新型能源存儲材料，而且能從一定程度上緩解部分染料廢水對生態(tài)環(huán)境帶來的污染，具有深遠的理論與現(xiàn)實意義。

因此，如何提供一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法，是本領(lǐng)域人員亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法及其應用，利用污水中的常見有機染料廢棄物為能源存儲材料的活性物質(zhì)，不僅能夠減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)新型能源存儲材料的構(gòu)筑；而且制備工藝簡單，重復性好；同時所用原料儲量豐富，成本低；另外所制備的復合電極材料比容量高，循環(huán)性能好。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法，包括如下步驟：

(1)將有機染料廢棄物溶解，并制得廢液；

(2)從步驟(1)制得的廢液中提取有機染料；

(3)將步驟(2)提取的有機染料與雙電層電容活性材料復合，制備出復合電極；

(4)將經(jīng)過步驟(3)制備的復合電極組裝入能源存儲器件中。

優(yōu)選的，在上述一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法中，步驟(1)中所述有機染料包括具有可逆氧化還原電對的含氮類染料、蒽醌類染料。

優(yōu)選的，在上述一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法中，步驟(1)中溶解所述有機染料廢棄物的溶液包括去離子水。

優(yōu)選的，在上述一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法中，步驟(3)中制備復合電極的方法包括所述有機染料的分子與介孔碳(CMK-3)一步吸附復合、所述有機染料的分子與聚吡咯(ppy)一步電聚合。

優(yōu)選的，在上述一種利用有機染料廢棄物制作新型能源存儲材料的方法中，步驟(3)中制備復合電極的方法包括如下步驟：