[發明專利]一種芡實殼基多孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810337533.7
• 申請日: 2018-04-16
• 公開（公告）號: CN108314044A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 孫立賢;陳沛榮;徐芬;王飛飛;印世璐;程日光;曹黎志;李晶華
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/318;H01G11/24;H01G11/32;H01G11/44
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

本發明公開了一種芡實殼基多孔碳材料，由芡實殼經高溫碳化處理后，采用堿性無機物煅燒活化制備而成，所得芡實殼基多孔碳材料的比表面積范圍在1100~1400 m² g^?1，孔徑分布均一，分布在1.20~2.50 nm范圍內。其制備方法為：1）芡實殼的高溫碳化；2）芡實殼基碳材料的活化；3）芡實殼基碳材料的后處理。本發明選用芡實殼為碳源，提高芡實殼資源綜合利用率，獲得高附加價值的產品。具有良好的超級電容器性能且具有良好的循環穩定性和倍率性能，在超級電容器、鋰離子電池等領域具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及多孔材料技術領域，具體涉及一種芡實殼基多孔碳材料及其制備方法及應用。

背景技術

超級電容器作為一種新型高效儲能裝置，其具有功率密度高、循環壽命長、充放電效率高、免維護、節能環保等等一系列優點，迅速在電動汽車、電力、鐵路、消費性電子產品等眾多領域得到應用。目前，超級電容器采用的電極材料主要有三大類：碳基材料、金屬氧化物和導電聚合物。碳基材料中的多孔碳材料是當前應用最廣泛的一類電極材料，由于具有良好的物理化學性能，如比表面積大、孔隙結構可控、化學性質穩定、高導熱、高電導率和原料豐富等特點。隨著人們對綠色環保潔凈工藝的追求，生物質原料以其天然綠色、來源廣泛且具有獨特的形貌及碳質結構等特征成為制備多孔碳基材料的研究對象得到了廣泛的關注。

廢棄生物質是制備多孔碳的理想原料之一，以廢棄生物質為原料制備多孔碳，可有效減少生活垃圾和廢棄物直接燃燒處理所排放的二氧化碳，同時獲得高附加值的多孔碳產品，是一種變廢為寶、固碳減排和生物質資源化的方法。廣東省潮州市擁有規?；能蛯嵎N植，特別是東鳳鎮，芡實為該鎮主要的農作物為該鎮帶來了不少的經濟效益。

但隨之而來的問題是，芡實殼作為芡實收割后遺留的農業廢棄物，若得不到有效的處理會成為農業廢物堆積，對當地環境有著不小的負面影響，如何有效處理能也廢棄物成為阻礙該鎮環境改善的一大問題。本發明基于此問題，首次將芡實殼廢棄物作為原材料，制備生物質基多孔碳材料，同時探索其在超級電容器上的應用。

芡實殼作為副產物就有大量的木質素和纖維素，在炭化的過程中這些結構不會被破壞，因此，以農業廢棄物為原材料制備多孔碳材料是將廢棄物循環利用的有效方法之一。而且，生物質碳材料利用其大比表面積的物理特性，可獲得較好的雙電層電容性能。Van等人講稻殼作為原材料，通過NaOH活化制備出多孔活性炭材料，測得在電流密度為0.5 A g^?1下，比電容達到144 F g^-1[Progress in Natural Science: Materials International2014, 24, 191-198]。該方法選用同樣為農業廢棄物的稻米殼作為碳源，制備方法簡單。但是所制備多孔碳材料比容量，在1A g^-1電流密度下比容量也僅為198 F g^-1。因此，開發高比表面積多孔碳材料的同時對其孔徑結構分布進行合理控制是提高超級電容器的能量密度和功率密度的關鍵技術。

基于上述考慮，選用芡實殼作為源料，制備生物質基多孔碳材料，利用其碳化后保留了其多孔的結構，具有較大的比表面積，而且孔徑分布和孔容一定范圍內可調是理想的超級電容器電極材料。將芡實殼從一種農業廢棄物加工為電極材料，可以有效緩解對農田和水域破壞的壓力。因此，將芡實殼有效利用，減少農業廢棄物的排放，做到可持續發展，這將給當地的環境和經濟帶來一定的效益。

發明內容

本發明的目的提供一種芡實殼基多孔碳材料及其制備方法和應用，實現孔徑可調、高比表面積、提升超級電容器的性能的同時，提高廢棄物綜合利用率，增加芡實殼的經濟附加值、降低電極材料生產成本。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案利用芡實殼為碳源，采用堿性無機物KOH等為活化劑，利用化學活化法合成穩定的三維多孔碳材料。結合KOH活化劑，調節碳材料的孔徑分布，提高碳材料的氮含量和導電性能，從而盡可能增大材料的比表面積，形成大面積的雙電層，提高超級電容器的性能。