[發明專利]一種銀摻雜木質素多孔碳納米片及其制備方法和在超級電容器電極材料中的應用

有效

• 申請號: 201910057621.6
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN110015660B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 楊東杰;符方寶;邱學青;王歡;易聰華;樓宏銘;鐘基欽;袁芳
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01G11/34
• 分類號: H01G11/34;C01B32/318;C01B32/348;C01B32/15;H01G11/44
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉

本發明屬于生物質碳材料技術領域，公開了一種銀摻雜木質素多孔碳納米片及其制備方法和在超級電容器電極材料中的應用。本發明制備方法通過磺化木質素、銀鹽和草酸鹽在選擇性溶劑中進行層層自組裝，制備得到層層自組裝的銀/木質素/草酸鹽復合物，經碳化，酸洗，得到銀摻雜木質素多孔碳納米片。本發明提供上述方法制備得到的銀摻雜木質素多孔碳納米片，其比表面積200～1000m²/g，微孔比表面積100～300m²/g，介孔比表面積100～700m²/g，孔徑大小0.5～20nm，孔容積0.5～1.5cm³/g；具有優越的導電性，可應用于超級電容器電極材料中，從而大大提升超級電容器電極材料的比電容和倍率性能。

技術領域

本發明屬于生物質碳材料技術領域，特別涉及一種銀摻雜木質素多孔碳納米片及其制備方法和在超級電容器電極材料中的應用。

背景技術

傳統化石能源的日益枯竭和環境污染問題的日益嚴峻對綠色新能源的開發和利用提出了新的要求。電化學儲能器件在發展綠色可持續能量儲存與轉化技術領域扮演著十分重要的角色。作為一種介于傳統物理電容器與二次電池之間的新型儲能器件，超級電容器由于具有功率密度高、可快速充放電、循環使用壽命長和適用溫度范圍寬等優點在便攜式電子設備和電動汽車等領域引起了廣泛的關注。超級電容器的電極材料是影響超級電容器性能的關鍵因素，主要包括碳材料、金屬氧化物和導電聚合物三大類。其中，碳材料由于具有比表面積大、孔道結構可調控、導電性優越和化學性質穩定等優勢被廣泛地研究。在眾多碳材料當中，石墨烯具有非常高的理論比表面積和電導率因而被認為是最有潛力的超級電容器電極材料，然而石墨烯不易大規模制備，極大地限制了它的工業化應用。因此迫切需要開發一種具有高比表面積、導電性好且容易大規模制備的多孔碳材料用于超級電容器電極材料研究。

木質素是自然界植物中含量第二大的有機高分子聚合物，同時也是唯一的可再生芳香聚合物，全世界年產量高達1500億噸。木質素是一種以苯丙烷單體為疏水骨架高分子聚合物，其來源廣，成本低，碳元素含量高達60％，是一種理想的碳材料前驅體。工業上木質素主要有：來源于酸法制漿廢液中的具有良好水溶性的木質素磺酸鹽、堿法制漿造紙工業的堿木質素和生物煉制工業的酶解木質素。

木質素磺酸鹽具有良好的水溶性，可直接經過高溫碳化制備多孔碳，如中國專利CN 102633525以來源于酸法制漿廢液中的木質素磺酸鹽為碳源，直接在惰性氣氛中進行高溫碳化制備了多孔碳材料。Pang等通過一步高溫熱解木質素磺酸鈉制備了木質素多孔碳(Green Chemistry,2017,19(16):3916-3926)，還通過預氧化直接碳化木質素磺酸鈉制備了木質素多孔碳球(Carbon,2018,132:280-293)，然而制備的多孔碳材料的比表面積較小，孔道結構不夠豐富且導電性差，導致其比電容較低。而堿木質素直接碳化制備的碳材料比表面積更小，其比電容低于50F/g，無法滿足超級電容器電極材料的要求(ChemSusChem,2015,8(3):428-432)。

為了增加其比表面積，調節其孔道結構，在制備木質素多孔碳時常采化學活化法和模板法。化學活化法主要利用高溫條件下強腐蝕性試劑(KOH，ZnCl₂等)的刻蝕作用獲得以微孔分布為主的多孔碳。如中國專利CN 1061855920A經過高溫碳化和活化含有KOH的堿法造紙黑液中的堿木質素制備了多孔碳材料。張冠中以ZnCl₂作為堿木質素的活化劑，經高溫碳化制備了以微孔分布為主的活性炭(林業機械與木工設備,2017,45(02):35-39)。大量的研究表明，化學活化法可制備出高比表面積的木質素多孔碳，但其微觀形貌依然表現出較為嚴重的聚集現象，且具有過多的無規微孔結構，這增加了電解質溶液在其內部的傳輸阻力，使其電化學性能難以提高。此外，高溫碳化過程污染較嚴重，對設備損壞大且產物產率低。