[發(fā)明專利]一種木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭材料的制備方法及應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107973286A
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂秋豐;梁恕俠;王鈞銳;馬正威;王書豪
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/34;H01G11/44
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多孔炭材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭材料的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

超級電容器通常包括電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物四個部件。其中，電極材料是關(guān)鍵，它決定著電容器的主要性能參數(shù)。常用的電極材料有碳基材料電極、導(dǎo)電聚合物電極和金屬氧化物電極。導(dǎo)電聚合物目前存在的主要問題是其循環(huán)性能不穩(wěn)定，在長期充放電過程中，會發(fā)生體積膨脹或者收縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電聚合物材料性能下降。金屬氧化物基電容器中，目前研究最為成功的主要是二氧化釕和硫酸水溶液體系。其比電容可達(dá)760 F g^-1。但是Ru價格太高，不適于商業(yè)化。碳材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有良好的耐腐蝕性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，是應(yīng)用最為廣泛的電極材料，也是目前僅有的商業(yè)化的超級電容器電極材料。

生物質(zhì)炭是指將生物質(zhì)材料如工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢物，水生、草及其殘留物，城鎮(zhèn)有機(jī)工業(yè)廢物，動物和人類糞便等經(jīng)過一定的加工、化學(xué)反應(yīng)生成的一類炭材料。這種炭材料有良好的化學(xué)性能，較高的導(dǎo)電性，在能源、航空航天、電子、機(jī)械工業(yè)方面有普遍的應(yīng)用。目前常見碳材料主要有碳?xì)馊苣z、碳納米管、多孔炭，碳?xì)馊苣z制備過程中會使用甲醛等有機(jī)溶劑，污染環(huán)境，制備過程繁瑣；碳納米管制備成本高，技術(shù)要求高，商業(yè)化困難；多孔炭材料制備簡單，來源廣，成本低，性能好，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

中國南部木棉資源十分豐富，每到木棉果實(shí)成熟季節(jié)，會有大量木棉果實(shí)自然掉落。不難想象，每年都會有大量木棉果皮產(chǎn)生。將其制備成多孔生物炭，不僅可以變廢為寶，而且避免了廢棄生物質(zhì)對環(huán)境大氣產(chǎn)生的影響。到目前為止，對于木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭材料的研究非常少并且限于研究其吸附性能，并沒有發(fā)現(xiàn)以木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭作為電極材料的研究。通過對木棉果皮的預(yù)碳化和活化，制備出的生物炭含有大量的大孔和微孔，具有較高的比表面積，以其為活性物質(zhì)制備出的電極片具有較高的比電容、功率密度和能量密度。此外，木棉果皮基多孔生物炭含有較多氮硫元素和含氧官能團(tuán)，含氧官能團(tuán)可以提高電極在水性電解液中的親水性，有利于電解液離子的傳輸，氮硫可以提高電極片的比電容。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種多孔生物質(zhì)炭材料的制備方法及應(yīng)用，該方法具備原料易得、操作簡單易控，而且能在保持材料原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上炭化和活化。

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

一種木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭的制備方法，包括以下步驟：

（1）首先將木棉果皮于常溫下在去離子水中浸泡24小時后洗凈、烘干、粉碎；

（2）將粉碎的木棉果皮放入坩堝在電阻爐中進(jìn)行預(yù)炭化（無氧加熱），升溫速率4~10℃ min^-1，常壓熱解0.5~3小時，降至室溫，將產(chǎn)物用1 mol L^-1鹽酸浸泡0.5小時、而后洗滌至中性，烘干、研磨，得到預(yù)炭化產(chǎn)物；

（3）將步驟2）中的預(yù)炭化產(chǎn)物放入石墨坩堝，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于600~1000℃加熱炭化，升溫速率0.5~10 ℃ min^-1，保溫時間0.5~3小時，降至室溫得到炭化產(chǎn)物，將該產(chǎn)物以 1 mol L^-1鹽酸浸泡0.5小時后，洗滌至中性，烘干得到木棉果皮基多孔生物炭。

步驟（2）中所述的預(yù)炭化溫度為300~500 ℃。

上述方法制備的多孔生物質(zhì)炭可用于超級電容器電極材料。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）本發(fā)明的原料木棉果皮屬于可再生生物資源，來源廣泛，價格低廉易得綠色環(huán)保。本發(fā)明可以在保持木棉果皮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行炭化，無需活化處理，就可以制備多孔生物質(zhì)炭材料，實(shí)現(xiàn)了木棉果皮的變廢為寶，該發(fā)明方法工藝簡單易行，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

（2）本發(fā)明所制備的木棉果皮基多孔生物質(zhì)炭可以作為電化學(xué)性能優(yōu)異的超級電容器電極材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1所制備的多孔生物質(zhì)炭材料的SEM圖片。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例2所制備的多孔生物質(zhì)炭材料的SEM圖片。

圖3是本發(fā)明的實(shí)施例2所制備的多孔生物質(zhì)炭材料作為電極材料在1 A g^-1電流密度下的充放電曲線。

圖4是本發(fā)明的實(shí)施例3所制備的多孔生物質(zhì)炭材料在不同電流密度下的充放電曲線。

圖5是本發(fā)明的實(shí)施例4所制備的多孔生物質(zhì)炭材料經(jīng)5000個充放電循環(huán)后的穩(wěn)定性曲線。

具體實(shí)施方式