[發(fā)明專(zhuān)利]一種磷摻雜生物質(zhì)分級(jí)孔炭材料的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710764307.2
• 申請(qǐng)日: 2017-08-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108529587B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐斌;胡龍豐
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/05
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/05;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;H01M4/587;H01G11/24;H01G11/44
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本發(fā)明公開(kāi)了一種磷摻雜生物質(zhì)分級(jí)孔炭材料的制備方法及其應(yīng)用，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以生物質(zhì)為碳源，以植酸鹽為模板和磷摻雜劑。先將干燥的生物質(zhì)粉碎后，放入植酸鹽溶液中充分浸漬數(shù)小時(shí)。然后在惰性氣體保護(hù)下500?1000°C恒溫?zé)崽幚??10h。經(jīng)過(guò)酸煮、水煮，除去雜質(zhì)，烘干后制得高比表面積（800~2100cm²/g）、大孔容（0.4~3.1 cm³/g）且孔徑分布寬（0.5~100nm）的磷摻雜生物質(zhì)分級(jí)孔炭材料。本發(fā)明利用一步碳化法制備磷摻雜型生物質(zhì)基分級(jí)孔炭材料，不僅具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，而且節(jié)能環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、成本低，作為分級(jí)孔炭材料在超級(jí)電容器、鋰離子電池、鈉離子電池以及水處理方面有著廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磷摻雜生物質(zhì)分級(jí)孔炭材料的制備方法，屬于新能源技。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，人類(lèi)的生活水平也因此一步一步的提高。然而，煤、石油和天然氣等化石能源減少并逐漸面臨枯竭。與此同時(shí)，化石能源已經(jīng)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，造成霧霾、酸雨、淡水資源污染、溫室效應(yīng)以及臭氧層空洞等。因此，開(kāi)發(fā)可再生資源制備綠色環(huán)保型材料具有重要的意義。

多孔炭材料由于其高比表面積、大孔容、物理化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在能量存儲(chǔ)、催化、吸附以及污水處理等方面有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)孔徑的大小，多孔材料可分為三大類(lèi)：微孔碳（<2nm）、介孔碳（2-50nm）、大孔碳（>50nm）。微孔有較高的比表面積，可以大大提高材料的比電容，介孔和大孔可以提供離子快速擴(kuò)散的通道，縮短傳輸時(shí)間。近些年，許多研究者通過(guò)設(shè)計(jì)一類(lèi)兼有微孔和介孔的炭電極材料，這種材料由于大量的微孔存在于介孔壁上，一方面使炭材料具有較高的比表面積，從而具有高的比電容；另一方面離子由介孔向微孔擴(kuò)散的路徑很短，使得電解質(zhì)離子在整個(gè)分級(jí)孔通道中能快速地傳輸，進(jìn)而大大改善了超級(jí)電容器的容量及倍率性能。制備分級(jí)孔炭的傳統(tǒng)方法有雙模板法和模板-活化法，根據(jù)模板劑的不同，分為以膠束、囊泡為代表的軟模板法和以二氧化硅、金屬氧化物為代表的硬模板法。通常情況下，通過(guò)碳前驅(qū)體、處理方式、碳化溫度、模板劑和活化劑等的選擇，可對(duì)合成出的炭材料表面形態(tài)、孔徑分布進(jìn)行控制，但是利用此方法得到的材料孔徑分布較窄，加上模板成本高、不同的原材料對(duì)模板劑選用有要求，因此一般制備工藝繁瑣，且反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)。純的炭材料表面物理、化學(xué)惰性，對(duì)其進(jìn)行表面處理，引入含氧、氮、磷、硫等官能團(tuán)，不僅可以與各種金屬離子發(fā)生鍵合作用，改善多孔材料的浸潤(rùn)性、吸附和催化性能，還能與溶液中的離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生贗電容，從而提高材料的電化學(xué)性能。

生物質(zhì)是一種復(fù)雜的生物有機(jī)-無(wú)機(jī)固體非化石類(lèi)產(chǎn)品，主要包括植物、動(dòng)物和人類(lèi)食物消化產(chǎn)生的天然物質(zhì)以及這些天然成分處理后的產(chǎn)品。生物質(zhì)的價(jià)格低廉、來(lái)源廣闊，是迄今為止最多的可再生能源材料。因此，合理有效的利用生物質(zhì)制備可再生多孔炭材料的方法，具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)雙重價(jià)值，符合綠色可持續(xù)發(fā)展原則。近年來(lái)，生物質(zhì)的利用已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的前驅(qū)體相比，生物質(zhì)具有廉價(jià)易得、無(wú)污染可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，其本身的孔隙結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分使其成為制備多孔炭以及雜原子多孔炭材料優(yōu)秀的碳源。目前，以生物質(zhì)為原材料制備多孔炭材料主要分為兩種途徑：一種是通過(guò)高溫碳化或化學(xué)活化方法制備多孔炭材料；另一種是通過(guò)水熱碳化生物質(zhì)或其衍生物來(lái)制備多孔炭。不管是利用高溫碳化或活化劑與材料中的碳原子在高溫下發(fā)生反應(yīng)而造孔，還是在高溫高壓下水熱碳化，所制備的材料通常比表面積低、孔容小、孔徑大多在2nm以下，屬于微孔材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種磷摻雜生物質(zhì)分級(jí)孔炭材料的制備方法，通過(guò)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色可持續(xù)發(fā)展的制備方法，以含磷有機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)為模板劑和磷摻雜劑及造孔劑，生物質(zhì)為碳源，通過(guò)調(diào)節(jié)含磷有機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)與碳源的質(zhì)量比值以及碳化溫度，一步高溫直接碳化制備出一系列不同形貌和孔結(jié)構(gòu)的摻雜型的具有穩(wěn)定分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)基炭材料。這種豐富的孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榉肿印㈦x子的擴(kuò)散與傳遞提供有效的通道，因此在儲(chǔ)能、催化、吸附以及大氣和水等資源凈化方面都能得到很好的應(yīng)用。