[发明专利]一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用

说明书

本发明提供了一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，是以生物质花椒籽为原材料，通过洗涤，干燥，研磨，活化，在氮气气氛中高温热处理，酸洗，再以有机分子有机分子1‑氨基蒽醌、2,3‑二氯‑1,4‑奈醌反应，得到机分子非共价键功能化的生物质碳复合材料。物理表征结果显示，本发明的产品具有较大的比表面积和丰富的多级孔道结构。电化学性能测试结果显示，本产品具有高的比电容，适合作为电极材料应用于超级电容器。

技术领域

本发明涉及一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法；本发明还涉及该生物质多孔碳材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用，属于生物质材料与电化学技术领域。

背景技术

超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能元件，因其能提供比传统电容器更高的能量密度，比电池更高的功率密度，可实现瞬间大电流放电，充电时间短，效率高，使用寿命长，绿色无污染，因此，被广泛应用于信息技术、电动汽车、航天航空和国防科技等多个领域。

超级电容器根据其储能方式不同，可以分为：依靠在电极材料和电解液界面形成双电层来储存电荷的双电层电容器；依靠电极活性材料在充放电过程中发生法拉第氧化还原过程来储存能量的法拉第赝电容器。电极材料是决定超级电容器性能的最关键因素，主要分为以下三大类：碳材料、金属（氢）氧化物和导电聚合物。超级电容器电极的碳材料主要有多孔碳、活性炭、碳黑、碳纤维、玻璃碳、碳气溶胶、碳纳米管等。其中多孔碳材料因为其比表面积大，孔隙结构丰富，原料广泛，价格低廉，制备工艺简单，化学稳定性好，导电性好，绿色环保，可再生等的优越性能，而受到研究者的重点关注。但双电层多孔碳材料属于双电层储能机理，从而限制了它的比电容和能量密度。而有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料与传统的双电层碳材料相比，可以通过引入具有高度电化学活性的氧化还原官能团的有机分子，进而发生法拉第反应来改善电化学电容性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料作为超级电容器电极材料的应用。

一、有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备

本发明有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末按1:1~1:6（优选1:3）的质量比混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min^-1的速率升温至700~900℃，保持30~120 min，然后冷却至室温，用0.5~1mol/LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；标记为A15。

我国是花椒的第一大生产国，产量十分丰富。许多人都不知道，我们平时吃的花椒其实是花椒果实的外皮，花椒果实里边还有花椒籽，但是好多花椒籽被废弃填埋或者焚烧，随着花椒的开发利用，造成十分严重的浪费，而且还污染环境。采用花椒籽废渣制备生物质炭应用在超级电容器中，不仅实现了废物利用，还可以增加经济效益，且它还是一种环境友好型的可再生能源。

花椒籽粉末与氢氧化钾混合，放入管式炉中，惰性气氛下加热，当活化温度超过973 K 时, K2CO3 开始分解为 CO2 和 K2O。碳基质中高微孔率的形成通常归因于化学活化（例如钾化合物与碳之间的氧化还原反应产生碳酸盐），物理活化（例如碳与CO 2的气化）和金属K嵌入引起的碳晶格膨胀的协同结果。具体的反应如下：

6KOH + 2C = 2K + 3H2 + 2K₂CO₃ (1)

K₂CO₃ = K₂O + CO₂ (2)