[發(fā)明專利]一種水熱輔助化學活化制備秸稈基有序多孔炭材料的方法和應用

有效

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• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112194129B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設計）人: 劉冬冬;郝正凱;唐伊博;朱俊昊;劉暢;魏晉濤;王藝婷;董佳琪;李金銘;賈博寅;付辰琦;董良杰;唐珊珊;孫旸;陳光
• 申請（專利權）人: 吉林農(nóng)業(yè)大學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348;H01G11/24;H01G11/34;H01G11/86
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 李紅媛

一種水熱輔助化學活化制備秸稈基有序多孔炭材料的方法和應用，它涉及一種制備多孔炭材料的方法和應用。本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有采用化學活化法方法制備有序多孔炭材料使用了過量的活化劑，造成了高成本和嚴重的環(huán)境污染的問題。方法：一、水熱反應；二、化學活化，得到秸稈基有序多孔炭材料。秸稈基有序多孔炭材料作為超級電容器的電極材料使用。本發(fā)明使用較少量活化劑就能獲得有序多孔碳材料用于超級電容器的電極材料，本發(fā)明滿足綠色環(huán)保、低成本的制備要求，且制備的秸稈基有序多孔炭材料作為超級電容器的電極材料使用具有優(yōu)異的電化學性能。本發(fā)明可獲得一種秸稈基有序多孔炭材料。

技術領域

本發(fā)明涉及一種制備多孔炭材料的方法和應用。

背景技術

超級電容器具有功率密度高、周期長、充放電快等優(yōu)點，是最有發(fā)展前途的儲能裝置。超級電容器的電化學性能主要取決于電極材料品質(zhì)。理想的電極材料既要具有高比表面積(S_BET)用以增強離子輸運能力，也要具有有序的微觀結構以提高良好的導電性。有序多孔炭材料因其易加工性、結構的穩(wěn)定性、孔隙率/微晶的可調(diào)控性而備受關注。目前，通常采用化學活化法方法制備有序多孔炭材料。陳沖等人發(fā)現(xiàn)，當化學活化劑與原料的質(zhì)量比從2:1增加到5:1時，所得樣品的比表面積值從878上升到2000m² g^-1，并且形成了有序的三維結構。但是，過量活化劑的加入不可避免地造成了高成本和嚴重的環(huán)境污染的問題，這也限制了有序多孔炭材料在電化學領域的廣泛應用。因此，使用化學活化法制備有序多孔炭材料的過程中，如能減少活化劑用量以滿足環(huán)保、低成本的制備要求，則是非常有價值的研究。

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈分布廣、種類多，年產(chǎn)量可達9億噸。秸稈含有大量碳元素是理想的炭材料原料。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈中有大量的以橋鍵、官能團、交聯(lián)鍵等形成存在含氧結構，并且微晶尺寸通常很小從而導致熱處理所得炭材料存在大量的缺陷、空穴和官能團，晶體完整性很差。因此，在化學活化過程中，需要添加過量的活化劑來剪切這些含氧結構，從而得到有序多孔炭材料。目前，還未有人使用水熱預處理輔助化學活化方法來制備有序多孔炭材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有采用化學活化法方法制備有序多孔炭材料使用了過量的活化劑，造成了高成本和嚴重的環(huán)境污染的問題，而提供一種水熱輔助化學活化制備秸稈基有序多孔炭材料的方法和應用。

一種水熱輔助化學活化制備秸稈基有序多孔炭材料的方法，是按以下步驟完成的：

一、水熱反應：

①、將秸稈顆粒和去離子水加入到高溫高壓水熱反應釜中，再將高溫高壓水熱反應釜密閉；將密閉的高溫高壓水熱反應釜從室溫升溫至180℃～300℃，再在180℃～300℃下保溫，最后冷卻至室溫，得到反應產(chǎn)物Ⅰ；

②、將反應產(chǎn)物Ⅰ進行過濾，得到固體物質(zhì)，即為秸稈水熱炭；

二、化學活化：

①、將秸稈水熱炭和氫氧化鈉粉末混合均勻，得到混合物；將混合物放入高溫管式爐中，向高溫管式爐中通入氮氣，再在氮氣氣氛下將混合物以恒定的升溫速率升溫至850℃～900℃，再在850℃～900℃下保溫3h～5h，最后冷卻至室溫，得到反應產(chǎn)物Ⅱ；

②、將反應產(chǎn)物Ⅱ浸入到稀HCl中，取出后再使用去離子水沖洗至中性，再干燥，得到秸稈基有序多孔炭材料。

秸稈基有序多孔炭材料作為超級電容器的電極材料使用。

本發(fā)明的原理及優(yōu)點：

一、傳統(tǒng)化學活化法的弊端在于添加過量的化學活化劑(通常添加3～5倍原料質(zhì)量的催化劑)來合成有序多孔炭材料，在這個過程中需要大量水資源或者酸溶液脫除炭材料中的催化劑，造成了制備成本高，且污染環(huán)境；本發(fā)明提出了水熱預處理輔助化學活化的新方法，本發(fā)明使用較少量活化劑(僅為原料水熱炭質(zhì)量的20％)就能獲得有序多孔碳材料用于超級電容器的電極材料，本發(fā)明滿足綠色環(huán)保、低成本的制備要求；