[发明专利]一种木棉果皮基多孔生物质炭材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于多孔炭材料的制备技术领域，涉及木棉果皮基多孔生物质炭材料的制备方法及应用。

背景技术

超级电容器通常包括电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。其中，电极材料是关键，它决定着电容器的主要性能参数。常用的电极材料有碳基材料电极、导电聚合物电极和金属氧化物电极。导电聚合物目前存在的主要问题是其循环性能不稳定，在长期充放电过程中，会发生体积膨胀或者收缩的现象，导致导电聚合物材料性能下降。金属氧化物基电容器中，目前研究最为成功的主要是二氧化钌和硫酸水溶液体系。其比电容可达760 F g^-1。但是Ru价格太高，不适于商业化。碳材料化学性质稳定，有良好的耐腐蚀性和导电导热性，是应用最为广泛的电极材料，也是目前仅有的商业化的超级电容器电极材料。

生物质炭是指将生物质材料如工业、农业废物，水生、草及其残留物，城镇有机工业废物，动物和人类粪便等经过一定的加工、化学反应生成的一类炭材料。这种炭材料有良好的化学性能，较高的导电性，在能源、航空航天、电子、机械工业方面有普遍的应用。目前常见碳材料主要有碳气溶胶、碳纳米管、多孔炭，碳气溶胶制备过程中会使用甲醛等有机溶剂，污染环境，制备过程繁琐；碳纳米管制备成本高，技术要求高，商业化困难；多孔炭材料制备简单，来源广，成本低，性能好，适合大规模生产。

中国南部木棉资源十分丰富，每到木棉果实成熟季节，会有大量木棉果实自然掉落。不难想象，每年都会有大量木棉果皮产生。将其制备成多孔生物炭，不仅可以变废为宝，而且避免了废弃生物质对环境大气产生的影响。到目前为止，对于木棉果皮基多孔生物质炭材料的研究非常少并且限于研究其吸附性能，并没有发现以木棉果皮基多孔生物质炭作为电极材料的研究。通过对木棉果皮的预碳化和活化，制备出的生物炭含有大量的大孔和微孔，具有较高的比表面积，以其为活性物质制备出的电极片具有较高的比电容、功率密度和能量密度。此外，木棉果皮基多孔生物炭含有较多氮硫元素和含氧官能团，含氧官能团可以提高电极在水性电解液中的亲水性，有利于电解液离子的传输，氮硫可以提高电极片的比电容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔生物质炭材料的制备方法及应用，该方法具备原料易得、操作简单易控，而且能在保持材料原有结构基础上炭化和活化。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种木棉果皮基多孔生物质炭的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将木棉果皮于常温下在去离子水中浸泡24小时后洗净、烘干、粉碎；

（2）将粉碎的木棉果皮放入坩埚在电阻炉中进行预炭化（无氧加热），升温速率4~10℃ min^-1，常压热解0.5~3小时，降至室温，将产物用1 mol L^-1盐酸浸泡0.5小时、而后洗涤至中性，烘干、研磨，得到预炭化产物；

（3）将步骤2）中的预炭化产物放入石墨坩埚，在氮气保护下于600~1000℃加热炭化，升温速率0.5~10 ℃ min^-1，保温时间0.5~3小时，降至室温得到炭化产物，将该产物以 1 mol L^-1盐酸浸泡0.5小时后，洗涤至中性，烘干得到木棉果皮基多孔生物炭。

步骤（2）中所述的预炭化温度为300~500 ℃。

上述方法制备的多孔生物质炭可用于超级电容器电极材料。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的原料木棉果皮属于可再生生物资源，来源广泛，价格低廉易得绿色环保。本发明可以在保持木棉果皮结构的基础上进行炭化，无需活化处理，就可以制备多孔生物质炭材料，实现了木棉果皮的变废为宝，该发明方法工艺简单易行，适合大规模生产。

（2）本发明所制备的木棉果皮基多孔生物质炭可以作为电化学性能优异的超级电容器电极材料。

附图说明

图1是本发明的实施例1所制备的多孔生物质炭材料的SEM图片。

图2是本发明的实施例2所制备的多孔生物质炭材料的SEM图片。

图3是本发明的实施例2所制备的多孔生物质炭材料作为电极材料在1 A g^-1电流密度下的充放电曲线。

图4是本发明的实施例3所制备的多孔生物质炭材料在不同电流密度下的充放电曲线。

图5是本发明的实施例4所制备的多孔生物质炭材料经5000个充放电循环后的稳定性曲线。

具体实施方式