[發明專利]一種生物質桂花多孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011021076.4
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112250068A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 向翠麗;李靚;鄒勇進;徐芬;孫立賢
• 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;H01G11/44;H01G11/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種生物質桂花多孔碳材料，以桂花為原料，制備了生物質純碳材料，再以KOH為活化劑，對生物質純碳材料進行活化，制得孔隙均勻的生物質桂花多孔碳材料。其制備方法包括以下步驟：1）生物質純碳材料的制備；2）多孔碳材料的制備。作為超級電容器電極材料的應用，窗口電壓為?1?0V，在放電電流為0.5A/g時，比電容為300?400F/g。生物質碳源具有精確的模板可用來制作具有受控和明確幾何形狀的電極材料；采用KOH做活化劑，通過控制其添加量可以得到理想形貌的多孔碳材料。

技術領域

本發明涉及超級電容器技術領域，具體涉及一種生物質桂花多孔碳材料的制備及在超級電容器領域的應用。

背景技術

超級電容器是一類重要的環保型電化學儲能裝置。由于其高功率密度、極長的電池壽命和快速充放電特性，它們在電動汽車、備用電源系統和消費類電子產品領域具有廣闊的應用前景。基于儲能（電容）機理，超級電容器可分為以下三類：（1）基于離子吸附的雙電層電容器；（2）法拉第贗電容器；（3）混合電容器。一般而言，碳基材料、導電聚合物和金屬氧化物/氫氧化物是超級電容器的三種主要電極材料。其中，碳基材料比表面積大，比電容合理，壽命長，是超級電容器的理想材料。

與制備碳材料的不同前體如導電聚合物和金屬有機骨架相比，從生物資源中提取的碳基材料具有加工成本低、成本來源豐富和可再生等優點，以及可以大規模工業化生產的巨大潛力。普通的碳材料存在孤立且不規則的孔道，導致電解質離子不能充分進入碳表面，因此碳材料電極的比電容很少超過120F/g。對于生物碳材料來說，適當的分層孔隙率與微孔、介孔、豐富的雜原子或表面官能團相結合，可以獲得更好的電化學性能。

雙電層電容器多孔結構的控制是一個關鍵的性能參數。智進等人報道了一種通過一步碳化和水蒸氣活化法制備的活性炭，在0.5A/g的電流密度下，比電容可以達到280F/g。活化過程使其產生了更多的相互連接的介孔，這對于電解液進入內部的微孔非常重要，因此可以確保獲得高電容。然而，用水蒸氣做活化劑使整個反應時間變得十分冗長，使效率低下，不利于后期的開發應用。

王華等人用天然棉材料制備了廉價但高性能的碳基電極，并開發了環境友好型超級電容器裝置。他們首先利用熔融的金屬鈉來重組廉價的天然棉，以獲得分層的空心石墨碳纖維（H. Wang, Y. Yang, L. Guo, Renewable-Biomolecule-Based ElectrochemicalEnergy-Storage Materials, Adv. Energy Mater., 7 (2017) 6）。在0.3A/g的電流密度下，具有221.7F/g比電容。棉纖維的主要組成物質的纖維素，含量約占94%，此外還含有少量的多縮戊糖、蠟質、蛋白質、脂肪、灰分等伴生物。在預碳化過程中，纖維素和其他成分的結構會被破壞，隨著溫度逐漸升高，完全被碳化，然后用熔融金屬鈉粒子對其進行活化鑿孔，然而金屬鈉粒子做活化劑比水蒸氣效率更高，但是金屬鈉粒子做為堿性單質，由于其活潑的性能，在空氣中極易氧化，且會與水產生劇烈的反應，所以具有較低的安全性，不適合大量使用。