[发明专利]生物质柚子皮衍生表面官能团层状碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电容器的电极材料技术领域，特别涉及生物质柚子皮衍生表面官 能团层状碳材料的制备方法。

背景技术

超级电容器具有充放电时间短(几十秒)、使用寿命长(>10⁵次)和功率密 度高(>10kWkg^-1)的优点，已经广泛应用于电子设备和混合动力车等领域，随 着清洁能源的迅猛发展和汽车性能的不断提高，对于超级电容器电极材料的性能 和成本要求越来越高。目前商用的超级电容器电极材料大多是氧化锰体系，虽然 氧化锰电极的理论容量高，但是它的循环稳定性差，经过几千次的充放电，它的 容量衰减严重，使用寿命较短。而碳基电极材料的使用寿命很长，经过几万次的 充放电循环使用，容量依旧保持在90％以上；并且碳材料的导电性好，作为电 极材料它具有良好的倍率性能；碳材料化学稳定性好，能都耐酸耐碱，并且无毒， 因此具有巨大的应用前景。超级电容器按原理分为双电层电容器和赝电容电容 器，双电层电容器的基本原理是表面吸附理论。传统活性碳材料的电容基本在 100-200F/g属于双电层电容器,相对于氧化锰赝电容电容器容量较低(～300 F/g)，因此研发具有赝电容性能的双电层电容器具有重大实用价值，它可以极大 的提高电容器的容量。

本项目采用生物质柚子皮作为碳源，通过高温碳化和氢氧化钾活化的方式， 制备出了表面具有大量官能团的层状碳材料，这些表面官能团具有赝电容性能， 在水相氢氧化钾作为电解质体系下，层状碳材料比容量可以达到600F/g(在0.5 A/g的电流密度下)，远远高于商用的氧化锰和其它活性碳材料的比容量。

柚子皮来源于产量丰富的柚子，它常被用作废料而扔弃。本项目为柚子皮找 到新的用途，柚子皮价格低廉，产量丰富，并且作为超级电容器电极性能优异。 因此利用柚子皮作为碳源制备超级电容器电极活性碳材料具有广阔的市场应用 前景。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供生物质柚子皮衍生表 面官能团层状碳材料的制备方法，采用高温碳化处理柚子皮，去除氢和氧，再利 用氢氧化钾浸泡和高温煅烧，制备表面具有丰富官能团结构的层状碳材料，工艺 操作简单、重复性高、成本低廉；利用本方法制备的层状碳材料，能够作为超级 电容器的电极材料，具有电极容量高的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

生物质柚子皮衍生表面官能团层状碳材料的制备方法，其步骤为：

S1、取0.1-500.0g的柚子皮装入管式炉中，在反应温度为600-1000℃的环境 下，进行高温碳化处理2–10h，过滤反应产物，分别用水和乙醇清洗过滤后的固 体，然后在烘箱内进行低温干燥处理，获得碳化产物；

S2、取0.1-300.0g的上述碳化产物加入到烧杯中，加入氢氧化钾，倒入 20-5000ml水，进行搅拌获得混合液，搅拌均匀后静置6-48h；

S3、将上述混合液通过滤纸过滤，取过滤后的固体产物进行低温干燥处理， 获得干燥产物；

S4、将上述干燥产物于600-1000℃的惰性气氛下煅烧2–10h，获得煅烧 产物；

S5、将上述煅烧产物分别用水和乙醇洗至中性，然后在烘箱内进行低温干燥 处理，获得表面丰富官能团结构的层状碳材料。

所述柚子皮采用文旦柚、坪山柚、沙田柚、暹罗柚、强德勒柚、官溪蜜柚、 龙都早香柚和北碚蜜柚中任意一种的柚子皮。

所述低温干燥处理为温度在50-120℃条件下，干燥3-48小时。

所述惰性气氛为Ar或N₂气氛。

S2中所述碳化产物和氢氧化钾的质量比为30:5。

本发明的工作原理为：

本发明采用高温碳化的方式，脱除柚子皮纤维素，木质素和半木质素中的氢 和氧，得到层状碳材料，随后浸泡渗入氢氧化钾，用氢氧化钾化学活化的方式得 到表面具有丰富官能团结构的层状碳材料。

在氢氧化钾化学活化阶段，层状碳与氢氧化钾在高温下反生化学反应：

6KOH+2C→2K+3H₂+2K₂CO₃

公式1

形成大量的微孔结构，并且在层状碳表面修饰上大量的羟基，羧基和羰基。