[發明專利]一種煙梗基多孔炭材料及其制備方法與在超級電容器中的應用

在審

• 申請號: 202211208430.3
• 申請日: 2022-09-30
• 公開（公告）號: CN115497749A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 楊東杰;譚海城;邱學青;李致賢;易聰華;樓宏銘;黃錦浩;龐煜霞;劉偉峰
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;廣東工業大學
• 主分類號: H01G11/44
• 分類號: H01G11/44;H01G11/34;H01G11/24;H01G11/26
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 殷妹

本發明公開了一種煙梗基多孔炭材料及其制備方法與在超級電容器中的應用。本發明采用預氧化?自活化法制備煙梗基多孔炭材料，首先將部分煙梗在CaO·B₂O₃催化劑中進行水熱催化得到水熱碳，另外將部分煙梗進行空氣預氧化得到預氧化碳，再將水熱炭和預氧化炭球磨、碳化得到煙梗基多孔炭材料。本發明煙梗基多孔炭材料具有豐富的、相互連通的微孔等孔道結構和豐富的活性含氧官能團，改善多孔炭表面特性，從而改善其親電解質界面，能夠提供部分贗電容，顯著提升多孔炭的比電容。

技術領域

本發明屬于生物質多孔炭技術領域，具體涉及一種煙梗基多孔炭材料及其制備方法與在超級電容器中的應用。

背景技術

超級電容器作為一種新的儲能器件，具有高功率密度、快速充放電、循環壽命長、適用溫度寬等優點，在電動公交、電網調頻和備用電源等領域得到廣泛應用。電極材料是影響超級電容器性能的關鍵因素，碳材料具有來源廣泛、孔道結構可調控、導電性和熱穩定性好等優點，是目前應用廣泛的電極材料。其中，生物質多孔炭具有比表面積高、成本低、化學性質穩定的優點，但由于粗生物質結構致密，組分復雜，常使用大量的強腐蝕性活化劑，使其活化過程復雜且不綠色，不利于實現工業化應用。

煙梗是煙草工業中重要的副產物之一。據中國統計年鑒顯示，大部分煙梗被直接廢棄或焚燒導致了嚴重的資源浪費和環境污染問題。近年來，為了實現廢棄煙梗的高值化利用，以煙梗為碳源制備儲能用多孔炭已成為研究熱點。Kleszyk P等(Carbon.2015,81:148-157.)將煙梗自活化后得到煙梗基多孔炭用于超級電容器中，其比表面積能高達1437m²/g，在0.2A/g電流密度下比電容能達到230F/g，但仍不能滿足目前對超級電容器比容量的要求。煙梗中含有豐富的原生孔道，有利于形成多級孔結構。此外，煙梗中的雜原子元素(N、O、S等)和金屬元素(K、Ca等)在碳化過程中能夠發生自摻雜和自活化，能夠改善多孔炭表面特性及豐富其孔道結構，有利于提高電化學性能。所以，煙梗是制備多孔炭的理想生物質碳源。

然而，目前以粗生物質(植物的葉、莖、皮等)為碳源制備多孔炭用于超級電容器存在以下問題：(1)粗生物質不溶于水，導致其與活化劑接觸復合困難，以至于活化劑用量大但活化效果不理想；(2)粗生物質擁有致密結構特點，所以目前大部分研究采用大量強腐蝕性試劑(KOH、ZnCl₂等)對其活化，該過程容易造成二次污染且成本大大提高，同時對設備耐腐蝕性要求極高，不利于實現大規模工業化生產；(3)針對超級電容器用生物質多孔炭，許多粗生物質碳化中能發生自摻雜，但含氧活性官能團含量取決于原料中的含量，且高溫碳化時容易分解，導致其含量普遍較低，其電化學性能仍需提高。