[發(fā)明專利]基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極、制備方法和超級(jí)電容器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210418254.X
• 申請(qǐng)日: 2022-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN114709084A
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅勇鋒;歐陽杰;王小滿;周璀;陳洪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南林業(yè)科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/32
• 分類號(hào): H01G11/32;H01G11/26;H01G11/86
• 代理公司: 長沙湘竹知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43272
• 代理人: 夏勝偉

一種基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極，包括炭化木片基體，炭化木片基體內(nèi)部具有管胞結(jié)構(gòu)，炭化木片的管胞結(jié)構(gòu)內(nèi)通過葡萄糖和氯化鈉模板構(gòu)建有多孔碳骨架；葡萄糖的濃度為3mol/L?5mol/L，氯化鈉的濃度為1mol/L?3mol/L。本發(fā)明中，利用預(yù)碳化木材表面豐富的官能團(tuán)在木材衍生碳管胞內(nèi)部構(gòu)建三維多孔碳結(jié)構(gòu)。氫氧化鉀刻蝕后，E?PCS@WC電極的結(jié)構(gòu)和親水性得到了很大的改善。該電極具有高親水性，高體積能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電極材料，尤其涉及一種用于超級(jí)電容器的基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極和制備方法。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器(SC)是一種綠色儲(chǔ)能器件，具有電化學(xué)性能穩(wěn)定、使用壽命長、充放電速率快、功率密度高、制造方便等優(yōu)點(diǎn)。其中，電極材料是SC的核心組成部分，目前商業(yè)化所采用的碳電極材料(如：活性炭、碳?xì)饽z、碳納米管和石墨烯) 具有高比表面積，但其比容量十分不理想。同時(shí)對(duì)于此類碳電極材料來說隨著活性物質(zhì)的增加會(huì)使得電極厚度增加，其倍率性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，限制了材料的電容性能進(jìn)一步提高。因此，構(gòu)建穩(wěn)固的具有良好孔隙分布的三維多孔碳骨架實(shí)現(xiàn)電荷高速轉(zhuǎn)移和離子快速動(dòng)態(tài)傳輸，是獲得高性能SC電極的關(guān)鍵。

天然木材碳化后能夠保留木材管胞固有的三維定向碳骨架。木材衍生碳保留結(jié)構(gòu)的同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，作為超級(jí)電容器自支撐電極材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。已有文獻(xiàn)報(bào)道，用MnO₂、Co(OH)₂、和聚吡咯等活性物質(zhì)來填充椴木、楊木和泡桐木的管胞，制備了一系列SC電極。在此基礎(chǔ)上，我們以針葉木材加工殘?jiān)鼮榛囊查_發(fā)了一系列高性能SC電極材料，包括用化學(xué)方法增加木材衍生碳的比表面積、填充具有核殼結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)等。但木材管胞空腔占體積的80%左右，因此上述研究對(duì)管胞空間和活性物質(zhì)的利用都較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高親水性、高體積能量密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性的基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的超級(jí)電容器電極和制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極，包括炭化木片基體，所述炭化木片基體內(nèi)部具有管胞結(jié)構(gòu)，所述炭化木片的管胞結(jié)構(gòu)內(nèi)通過葡萄糖和氯化鈉模板構(gòu)建有多孔碳骨架；所述葡萄糖的濃度為3mol/L-5mol/L，所述氯化鈉的濃度為1mol/L-3mol/L。

上述的基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極，優(yōu)選的，構(gòu)建有多孔碳骨架的炭化木片通過氫氧化鉀蝕刻處理；所述氫氧化鉀的濃度為1mol/L-3mol/L。

上述的基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極的制備方法，包括以下步驟：

1）將具有管胞結(jié)構(gòu)的木片切成預(yù)設(shè)尺寸；

2）將木片在干燥箱中預(yù)炭化

3）將預(yù)炭化后的木片浸泡在3mol/L-5mol/L的葡萄糖和1mol/L-3mol/L的氯化鈉混合溶液中，真空浸泡10小時(shí)以上；

4）將步驟3）浸泡后的木片干燥后在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行煅燒炭化，煅燒的溫度為300-850℃，時(shí)間為2-6小時(shí)；煅燒后用去離子水清洗；步驟4）得到的電極標(biāo)記為PCS@WC。

5）將步驟4）得到的木片放入到氫氧化鉀溶液中，氫氧化鉀的濃度為1mol/L-3mol/L，真空浸泡2-6小時(shí)，干燥；

6）在惰性氣體的保護(hù)下將步驟5）得到的木片煅燒1-3小時(shí)，煅燒溫度為650-850℃；

7）用HCl溶液清洗掉木片上多余的氫氧化鉀，并用去離子水清洗至中性，HCl溶液的濃度為3-6mol/L；得到基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極，記為E-PCS@WC。

上述的基于在木材管胞中構(gòu)建多孔碳骨架的電極的制備方法，優(yōu)選的，所述預(yù)炭化的溫度為200-300℃，時(shí)間為3-6小時(shí)。