[发明专利]基于木棉纤维的生物质多孔炭片的制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种基于木棉纤维的生物质多孔炭片的制备方法及应用，属于生物质炭材料制备技术领域。其是将木棉纤维经碱溶液预处理后，先在较低温度下进行预炭化，再加入活化剂和去离子水，经超声、干燥后得到炭化前驱体混合物，最后经常压高温热解，得到所述生物质多孔炭片。本发明所制备的生物质多孔炭片比表面积大、电化学性能优异，可用于制备超级电容器电极材料，且其制备方法简单，为生物质炭材料的制备提供了新途径。

技术领域

本发明属于生物质炭材料制备技术领域，具体涉及一种基于木棉纤维的生物质多孔炭片的制备方法及应用。

背景技术

生物质是利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物等物质，其最主要的特点是来源广、成本低、可再生，且以生物质为原料制备的炭材料具备较高的比表面积和良好的导电性、润湿性，被认为是超级电容器电极材料的理想选择。然而，不同的生物质原料得到的炭材料形貌差别大，性能也有较大不同，因此选择合适的生物质原料，方可使得到的炭材料具备较高的比表面积、高的导电性、较大的比电容、良好的循环稳定性，且制备方法简单、成本低、产率高。

木棉纤维是一种果实纤维，呈中空管状，中空率在80%以上，表面光滑，原料本身就具备较高的比表面积。近年来，大量对于木棉纤维的研究主要应用于纺织和吸附领域，用其作为生物质炭材料前驱体的比较少。研究结果表明，木棉纤维高温热解得到的炭材料具有较大的比表面积，且炭材料表面有较多含氧官能团，增加了润湿性，有利于其与水溶液之间的相互作用，同时，也有利于其与金属氧化物、导电高分子的复合，以进一步增加其电化学性能。通过活化等方法，可以得到薄片状、比表面积很大、具有较高能量密度和功率密度、电化学性能优异的电极材料（Xu W, Mu B, Wang A. Porous carbon nanoflakes with ahigh specific surface area derived from a kapok fiber for high-performanceelectrode materials of supercapacitors[J]. RSC Advances, 2016, 6(9): 6967-6977.）。正因为木棉纤维及得到的炭材料的优异性能，其越来越受到关注。但是已报道的木棉纤维基炭材料中缺乏孔洞，不利于电解液离子在电极材料中的扩散移动，从而电极材料的大电流充放电能力比较差。

通常的，为了提高生物质炭材料的电化学性能，可采用活化处理、杂原子掺杂、复合导电高分子及金属氧化物等方法。活化处理是采用适当的活化剂，增大炭材料的气孔率，增大比表面积，同时改善表面官能团，增加材料的亲水性，并调节不同尺寸孔的比例，以得到比表面积大、不同尺寸孔比例合适、电性能好的电极材料。鉴于木棉纤维本身特殊的形貌及物理性能，其作为原料制备炭材料需要深入研究并优化，而且生物质炭材料作为超级电容器电极材料具有广阔的应用前景。本发明通过简单的方法热解木棉纤维，并通过活化处理，得到了成本低、性能好的木棉纤维基生物质多孔炭片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于木棉纤维的生物质多孔炭片的制备方法与应用，其通过特定的制备方法和工艺参数的调节，获得了微孔丰富、比表面积大、导电性良好、电化学性能优异的炭材料。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一要保护的是一种基于木棉纤维的生物质多孔炭片的制备方法，其包括以下步骤：

1）木棉纤维的预处理：将木棉纤维浸入碱溶液中，加热煮沸0.5-1 h，然后用去离子水反复清洗至中性，再放入干燥箱中于60 ℃干燥12-24h，得到预处理的木棉纤维；

2）预炭化：将步骤1）所得预处理的木棉纤维置于炉子中，升温至200-600 ℃，保温1-4 h后降至室温，得到预炭化木棉纤维；