[發明專利]柱狀網格多孔結構的生物質炭及制備方法

在審

• 申請號: 202310571451.X
• 申請日: 2023-05-20
• 公開（公告）號: CN116534857A
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 侯桂婷;張曉輝;賴飛燕;湯泉;梁冬梅;蘭茂婷;何曉盈
• 申請（專利權）人: 賀州學院
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;H01G11/86;H01G11/32;H01G11/24;C01B32/348;C01B32/05
• 代理公司: 北京智行陽光知識產權代理事務所(普通合伙) 11738
• 代理人: 范斌

本發明涉及一種柱狀網格多孔結構的生物質炭及其制備方法，制備過程包括預處理、高剪切乳化、高溫炭化、冷凍、酸洗、過濾、干燥等步驟。本發明選用葛藤莖作為生物質炭源，原料采用普遍生長的葛藤莖，來源豐富且具有天然多孔組織結構。經過高剪切乳化、熱處理炭化等操作后制得的多孔炭材料具有柱狀網格多孔結構特點且生物炭結構豐富，能儲存大量電荷以提高材料的儲能性。組裝成超級電容器電極，發揮出較高的比電容和倍率性能。制備過程簡單、低碳環保，工藝過程對設備的要求低，體現出很好的商業應用前景。

技術領域

本發明屬于生物質廢棄資源的高值化利用領域，具體涉及一種柱狀網格多孔結構的生物質炭及制備方法。

背景技術

超級電容器具有高能量密度、充放電迅速、循環壽命長等優異性能，廣泛被應用在各種發電系統、電子產品、交通工具等新能源儲能和轉化系統。近年來，炭材料的發展和應用由于礦物類資源的短缺，受到了嚴重制約。生物質資源具有來源廣、可再生、環境友好、成本低等優勢，已成為制備各種碳材料重要原料。

生物質活性炭的制備方法簡單，前驅體一般以具有多孔組織結構的天然植物器官或其衍生物為原料，通常經過高溫炭化、物理或化學方法等過程，形成具有多孔結構的生物質活性炭材料。目前，很多的動植物或其組織器官被用作生物質原材料，少部分生物質原材料制備的活性炭已實現商品化應用。制備出具有柱狀網格多孔結構的生物質炭，提高了材料的比表面積和分級的孔徑。運用在超級電容器中，可以增加電荷的存儲，提高其循環壽命和比電容。

在傳統的工藝過程中，為了擴大炭化產物的比表面積，通常采用物理或化學過程對炭化產物進行活化，通過造孔和擴孔以暴露出更多的表面積。但是，如果使用具有特殊天然組織結構的生物質原材料，即使不經過活化處理，同樣可以制備出比表面積大、孔洞結構豐富、孔徑分布合理的炭化材料，葛藤是一種半木本的豆科藤蔓類植物，具有驚人的蔓延力和繁殖力，可以大面積地覆蓋樹木和地面。

葛藤在我國大部分地區普遍生長，但在東南和西南地區生長最多，在美洲已經泛濫成災。葛藤根系發達，富含多種人體必需氨基酸和鈣、鍺、硒、鋅等微量元素，特別含有葛根素、黃豆甙等異黃酮類物質，所以葛根具有較高的營養價值和藥用價值，通常作為補品和藥材加以利用。到目前為止，尚未有利用葛藤莖為原料制備超級電容用生物質炭材料的報道。如果利用廢棄的葛藤莖作為生物質原材料，借助其天然交聯多孔的纖維組織結構(如附圖1所示)，用以制備生物質炭材料，有利于合成高比面積、富含孔洞結構的多孔炭產品。

發明內容

本發明旨在解決上述技術問題，提供一種柱狀網格多孔結構的生物質炭及制備方法。

本發明的技術方案為：

一種柱狀網格多孔結構的生物質炭的制備方法，包括以下步驟：

(1)以葛藤莖作為原材料，依次用去離子水和無水乙醇清洗干凈，然后烘干，粉碎后備用；

(2)將(1)中的生物質原材料粉、可溶性金屬鹽與氫氧化鉀加入去離子水中，攪拌超聲至得到混合均勻的混合液；

(3)將(2)所得混合液進行高剪切乳化得到乳液；

(4)將(3)得到的乳液進行冷凍干燥處理后，置于惰性氣體下，在高溫下進行炭化，后保溫處理，再冷卻至室溫得到炭化材料；

(5)將步驟(4)得到的炭化材料依次通過酸洗、過濾、干燥得到所述柱狀網格多孔結構的生物質炭材料。

進一步的，所述葛藤莖為植物葛藤的莖。

進一步的，步驟(2)中，所述可溶性金屬鹽選自可溶性鐵鹽、可溶性鈷鹽和可溶性鎳鹽中的一種或幾種。金屬顆粒的的加入能有效提升電極材料的導電性，并能在硫與生物炭之間建立化學鍵連接,增強炭對多硫化物的物理與化學吸附的協同作用，從而有利于提升復合材料的電化學性能。