[發明專利]三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料及制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011555087.0
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112624107A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 藺華林;嚴春陽;楊洋;李夢琰;李欣;袁銘霞;陳哲
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01G11/24;H01G11/34;H01G11/44
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳天寶

本發明涉及一種三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料及制備方法和應用，包括以下步驟：配制NaOH/尿素/LA的混合水溶液，冷卻，加入纖維素，攪拌，得到NaOH/尿素/LA?纖維素混合溶液，離心分離，取澄清溶液并進行加熱凝膠，凍干，先在惰性氣體中先預碳化，與ZnCl₂水溶液混合均勻，烘干后進行碳化，之后用鹽酸和去離子水洗滌至中性，干燥，得到三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料。與現有技術相比，本發明利用在自然界含量豐富的纖維素為碳前驅體，過溶解、膠凝和炭化過程，纖維素成功地轉化為具有層次多孔結構和均勻分布，同時摻雜了N，S雙元素，大幅提高了材料的電化學性能，所制備出的多孔碳材料具有超高比表面積，大幅增強了電極材料的儲電能力。

技術領域

本發明涉及超級電容器電極材料領域，尤其是涉及一種三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料及制備方法和應用。

背景技術

氣候變化和化石燃料的有限供應極大地影響了世界經濟和生態。隨著便攜式電子設備市場的快速增長以及混合動力汽車的發展，對環境友好的高功率能源的需求一直在不斷增長當下，降低電能在傳輸和存儲中的損失，特別是開發出儲電量高、體積質量小的儲能器件具有重要意義。超級電容器在儲能系統中的應用受到廣泛認可，其電化學性能彌補了傳統電容器和電池之間的空白，在功率密度和能量密度方面跨越了幾個數量級，因此適合應用于便攜式或者遠程設備中的電能，存儲超級電容器的電化學性能主要取決于電極材料，而多孔碳材料由于其具有大的比表面積、優良的化學穩定性以及良好的導電性等特征，被廣大研究者嘗試應用于超級電容器領域。

超級電容器是電化學儲能裝置。超級電容器存儲能量的方式主要基于兩種類型的電容行為：電極界面上純靜電荷積累產生的雙電層(EDL)電容，以及快速和可逆的表面氧化還原作用產生的偽電容過程具有潛在的特征。

以豐富的生物質資源開發研制新型碳材料將能緩解由于化石資源的枯竭而帶來的工業和民用材料的短缺問題，能最大程度的降低各種碳材料的生產成本，加快推進新型碳材料的應用領域，隨著生物質碳材料研究的深入和加工技術的發展，以生物質為原料的新型碳材料必將給材料科學的發展帶來新的革命。

因此如何大批量、工業化生產地將生物質的原料應用于超級電容器電極材料中是目前亟需解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料及制備方法和應用，基于簡單的制備工藝，即將纖維素與NaOH/尿素/LA的混合水溶液復合、加工構成水凝膠，使得纖維素基的生物質炭在超級電容器領域。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明的第一個目的是保護一種三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：配制NaOH/尿素/LA的混合水溶液，并將混合水溶液在-13～-18℃下冷卻，加入纖維素，攪拌，得到NaOH/尿素/LA-纖維素混合溶液；

S2：對S1中得到的NaOH/尿素/LA-纖維素混合溶液進行離心分離，取澄清溶液并進行加熱凝膠，使得LA分子與纖維素鏈產生氫鍵，得到均勻分散的NaOH/尿素/LA三維水凝膠；

S3：將NaOH/尿素/LA三維水凝膠凍干，先在惰性氣體中先預碳化；

S4：將碳化后的NaOH/尿素/LA三維水凝膠與ZnCl₂水溶液混合均勻，烘干后進行碳化，之后用鹽酸和去離子水洗滌至中性，干燥，得到三元纖維素溶液碳氣凝膠碳材料。

進一步地，S1中所述纖維素為微晶纖維素粉。

進一步地，S1中所述NaOH/尿素/LA-纖維素混合溶液中：纖維素/NaOH/尿素/LA/去離子水的質量比為4:7:12:(5-7):(70-72)，優選的質量比為4:7:12:5:72。