[發(fā)明專利]一種木霉調控生物質多孔活性炭及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112811420B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設計）人: 沈飛;劉章林;黃梅;趙麗;田東;曾詠梅
• 申請（專利權）人: 四川農業(yè)大學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 成都帝鵬知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 51265
• 代理人: 黎照西

本發(fā)明提供了一種木霉調控生物質多孔活性炭及其制備方法和應用。本發(fā)明首次利用木霉生長的混合廢生物質制備碳材料前體，所得活性炭具有比表面積大、孔容大、孔徑分布合適、表面官能團豐富的特點。將這些碳源作為超級電容器的電極材料，可以獲得比生物質衍生碳更優(yōu)越的電化學性能。本發(fā)明為充分利用生物質廢棄物獲得優(yōu)良的超級電容器電極材料提供了一種可持續(xù)的生物利用方法。

技術領域

本發(fā)明屬于生物質多孔活性炭及其制備技術領域，具體涉及一種超級電容器用木霉調控生物質多孔活性炭的制備方法。

背景技術

近幾十年來，隨著傳統(tǒng)化石燃料的大量消耗，導致了嚴重的能源危機和環(huán)境惡化。綠色和可持續(xù)能源(如太陽能、風能和潮汐)逐步成為全球能源的重要組成部分，但對能源的有效儲存是最關鍵的技術之一，需要加以解決。

超級電容器以其顯著的功率密度、長循環(huán)穩(wěn)定性和快速充放電能力，成為最有前途的儲能技術之一，已廣泛應用于汽車、國防、電子設備和機械等領域。電極材料在超級電容器的電容性能中起著非常重要的作用，目前被廣泛研究的電極材料包括導電聚合物、金屬氧化物和碳基材料。碳基材料，特別是比表面積較大的活性炭，因其結構新穎、制備工藝簡單、功率密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好、導電性好等特點，與其他材料相比備受關注。傳統(tǒng)的活性炭最初主要由煤、石油及其衍生物生產(chǎn)，但該方法成本高且不可再生，限制了其應用。相比之下，生物質顯示出成本低、環(huán)保、容易獲得的優(yōu)點，而且這些以生物為原料的前驅體對活性炭的制備具有很大的前景。目前，已有許多研究直接從不同的木質纖維素生物質中制備碳作為超級電容器電極，但其電化學性能并不理想，也不穩(wěn)定。

木霉是自然界常見的一種真菌，在農業(yè)應用中被開發(fā)用于激發(fā)植物抗性，促進植物生長，提高土壤肥力。木霉在不同底物上生長時，可以產(chǎn)生多種酶，如幾丁質酶、纖維素酶、果膠酶和氧化還原酶，這些酶可以分解各種生物質，特別是木質纖維素生物質。因此，各種木質纖維素生物質，如稻草、小麥、大麥秸稈、云杉、甘蔗渣和柳樹，可以很容易地用作培養(yǎng)木霉的基質。此外，有研究表明木霉中提取的纖維素酶可以解聚木質纖維素中的纖維素和半纖維素組分，從而使木質纖維素降解后的殘留木質纖維素更加蓬松，容易碳化，所得碳具有較好的多孔結構，其電化學性能有很大的提高潛力。

木霉孢子主要由多糖、蛋白質和孢粉單寧組成，是碳、氮源的天然儲層。豐富的N和O含量可以潛在地提高衍生碳材料的親水性，降低其轉移阻力。此外，有研究表明孢子外壁存在大量的天然納米尺度傳質通道，這些天然形成的多孔結構在孢子參與制備碳材料時可以提供較高的表面積和優(yōu)異的傳質性能。

因此，如果能夠大規(guī)模應用木霉屬降解木質纖維素的混合物作為前體收獲高特定碳，將不僅能達到充分利用廢棄物生物質資源的目標，也從理論上能夠獲得具有較好電化學性能的超級電容器電極材料。但目前相關研究未見報道，如何利用木霉來處理生物質制備多孔活性炭，成為亟待解決的技術問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的就是為了解決上述技術問題，而提供一種木霉調控生物質多孔活性炭及其制備方法和應用。本發(fā)明提供了一種利用木霉調控生物質來制備多孔活性炭材料的方法，以及能夠將該多孔活性炭材料應用于超級電容器中進行能量儲存。

本發(fā)明的目的之一是提供一種木霉調控生物質多孔活性炭的制備方法，其包括以下步驟：

(1)前驅體的制備：將餐廚垃圾去除不可降解組分后，進行固液分離，將固體組分于105℃干燥12h，再經(jīng)研磨過篩，得到處理后的餐廚垃圾；將生物質秸稈風干，磨碎過40目篩；將生物質秸稈與餐廚垃圾按7:3的重量比混合配制成培養(yǎng)基，并調整水含量為70％，對培養(yǎng)基滅菌后，向其中接種木霉懸浮液，接種后的培養(yǎng)基在28℃培養(yǎng)7天，至培養(yǎng)基表面可見明顯的孢子；然后，將得到的混合物進行凍干，過篩進行后續(xù)的碳化處理；

(2)水熱炭的制備：將步驟(1)凍干后的混合物加入到100mL去離子水中，放入不銹鋼高壓釜中，于200℃進行水熱炭化12h，過濾收集固體殘渣，所得固體殘渣先后用乙醇和去離子水洗滌，洗滌干凈后的固體于105℃干燥，得到水熱炭；