[發明專利]一種利用無機熔鹽水合物制得的木質生物質基多孔碳材料和制備方法及應用

有效

• 申請號: 202010624613.8
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN111960414B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 侯慶喜;劉秀知;劉葦;蔣通寶
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/24;H01G11/34
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 韓曉梅

本發明涉及一種利用無機熔鹽水合物制得的木質生物質基多孔碳材料，其制備步驟如下：將風干的木質生物質原料，與預熱去離子水裝入密閉的壓力容器中充分混合，進行自水解預處理；過濾，洗滌；浸泡后自然風干，反復操作多次后，冷藏備用；配制0.1～6M的無機強酸溶液；配制成無機熔鹽水合物溶液，將備用原料加入無機熔鹽水合物溶液中，超聲處理，冷凍，凍干處理；碳化處理，之后洗至中性，干燥，得到木質生物質基多孔碳材料。本發明制備過程簡單，無需高溫、高壓等苛刻的條件，且本發明木質生物質基多孔碳材料作為超級電容器工作電極材料使用時，具有較大的比表面積、較好的介孔占比和較高的比容量。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，尤其是一種利用無機熔鹽水合物制得的木質生物質基多孔碳材料和制備方法及應用。

背景技術

超級電容器作為一種新型的儲能設備，由于具有功率密度高、充放電速率快、循環使用壽命長(10萬次)等特點，引起了廣泛關注。其中電極材料作為超級電容器的重要組成部分，是影響超級電容器比電容量的重要因素。多孔碳材料由于其豐富的孔結構、比表面積，導電性好、以及良好的化學穩定性等優點，是商業化最早的超級電容器電極材料。其中，木屑、竹、藻類、柚皮等已經廣泛作為碳電極原材料應用于超級電容器。關于這些碳材料的電化學性能，其比表面積大小和孔徑分布情況起了決定性作用。而追求過大的比表面積會導致微孔結構的比例太高，不利于電容的形成。因為過小的微孔會導致電解質傳輸受阻，造成比表面積利用率大大降低。因此，通過對多孔碳材料孔徑分布的調控，實現生物質基多孔碳材料作為超級電容器的電極材料，具有重要的意義。

相較于其他的木質生物質，碳化的木材不需要添加任何粘結劑或導電劑，即可以作為自支撐電極材料使用。這種優勢得益于木材自身良好的多級、多孔的結構，以及碳化后可保持的良好機械強度和天然孔道結構。目前，木材作為一種可再生資源，廣泛存在于自然界。由于樹木不僅在沿著其生長過程方向具有很多豎直的孔道，其內部還具有許多微孔和介孔，這種特殊的結構有利于離子吸附和電子快速傳輸。因此，選用木質生物質構建高性能超級電容器的理想碳電極材料有其不可代替的優勢。

目前，優化碳材料孔道結構的方法主要包括物理活化法、化學活化法、模板法等。上述方法不僅需要繁瑣的準備工作和耗時的洗滌工序，而且有毒和腐蝕性試劑(KOH、H₃PO₄或HF)制約了其長久發展。而熔鹽合成法以一種或數種低熔點的熔鹽作為反應介質，在較低的溫度和較短的時間內使用，具有工藝簡單、鹽易分離并且可重復利用等特點，符合目前材料研究領域的環保要求。但目前大多的處理方式多是通過將碳前驅體與熔融鹽固體混合進行碳化，這種方式不僅碳產率比較低，而且熔融鹽耗量大，不易控制，并且具體應用時常常需要再與其他聚合物等粘合劑混合使用。因此，本發明通過將自水解后的木質生物質與熔鹽溶液混合浸漬，經冷凍干燥后，再進行高溫碳化等一系列處理，最終得到木質生物質基多孔碳材料。經過自水解預處理后的木質生物質，由于部分半纖維素等組分被除去，其結構變得較為疏松。繼續采用熔鹽溶液處理，可在上述基礎上進一步促進纖維素等組分的溶解，使木質生物質的結構變得更加疏松。通過控制不同比例的熔鹽水合物與結構變得較為疏松的木質生物質反應，在后續的碳化過程中，經熔鹽模板“刻蝕”作用和活化劑活化的雙重作用，可實現對木質生物質基碳材料的形貌設計和孔道結構的優化，進而用作電極碳材料。

因此，為了合理利用木質生物質基自身天然優良的孔道結構，制備出用于電極材料的木質生物質基多孔碳材料，通過熔鹽水合物對自水解預處理后的木質生物質原料充分活化和碳化，實現對其形貌和孔徑結構的調控是十分必要的。

通過檢索，發現如下幾篇與本發明專利申請相關的專利公開文獻：