[发明专利]一种混合生物质制备高比电容的三维多孔碳材料的方法和制成的三维多孔碳材料及其应用

说明书

本发明属于生物质多孔炭的制备技术领域，公开了一种混合生物质制备高比电容的三维多孔碳材料和制成的三维多孔碳材料及其应用。本发明采用水热碳化与碱金属氢氧化物相结合的方法，制备出甘蔗渣‑椰壳混合基、椰壳‑蔗糖混合基、椰壳‑葡萄糖混合基、甘蔗渣‑纤维素混合基、甘蔗渣‑树皮混合基、椰壳‑玉米杆混合基、椰壳‑麦秆混合基、淀粉与纤维素混合基等多孔碳材料。本发明具有制备方法简单，成本较低；超高比表面积、高导电率和三维多孔相结合；优异的电化学性能等优点。

技术领域

本发明属于生物质多孔炭的制备技术领域，具体涉及一种混合生物质制备高比电容的三维多孔碳材料和制成的三维多孔碳材料及其应用。

背景技术

近年来，多孔碳材料在电化学、吸附等能源储存领域取得了长足的发展。一方面，由于生物质的来源广泛、廉价易得、产量丰富等优点，已经大量应用于多孔碳材料的制备。另一方面，拥有高比表面积(>1800m²g^-1)的多孔碳材料由于具有较多的活性位点，使其能够储存更多的电荷量；而具有三维多孔结构能够降低电解质的传质阻抗；高的导电率也有利于电子的快速传导，提高超级电容器的能量密度。因此使用生物质作为前驱体制备的高比表面积多孔碳材料是用于超级电容器的理想材料。

超级电容器作为一种重要的电化学储能器件，主要应用于掌上电脑、电网改造、太阳能光伏发电、节能电梯、备用电源、新能源汽车等民用与军用领域。随着全球对于能源消耗与环境保护的重视，就亟需可商业化的兼具高质量比电容(>400F g^-1)与优异的循环稳定性的超级电容器电极材料用于大规模能源储存。目前现行的商业化的超级电容器电极材料主要还是活性炭(例如YP-50和CEP21KS)，但是作为制备商业活性炭的前驱体则主要来源于石油生产的副产物，而石油是一种非可持续性的自然资源，且石油的开采、运输、提炼、使用等过程也造成了环境污染等危害。在这些商业活性炭中，YP-50(日本Kuraray公司)由于应用于超级电容器时，具有优异的循环稳定性而被广泛采用。但是它的质量比电容只有大约180F g^-1，难以满足日益增长的高比电容电极材料的需要。作为超级电容器高比电容电极材料的代表，CEP21KS(韩国Power Carbon Technology公司)的质量比电容达到300F g^-1，但是其前驱体来源为沥青(石油副产物)，且应用于超级电容器时，循环稳定性不足。

综上所述，目前尚没有兼具超高质量比电容(>400F g^-1)和循环稳定性能与商业活性炭相媲美的碳材料的制备方法。这也极大的限制了超级电容器在新能源汽车等方面的应用。

发明内容

为了解决现有技术中的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种混合生物质制备高比电容的三维多孔碳材料的方法。首先将不同的生物质混合，经水热碳化得到前驱体，再经过KOH活化，进而通过协同作用实现高比容量、优异循环稳定性的三维多孔碳材料的制备。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备而成的三维多孔碳材料。

本发明的再一目的在于提供一种上述三维多孔碳材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种混合生物质制备高比电容的三维多孔碳材料的方法，包括以下步骤：

(1)将预处理的生物质混合后，进行水热碳化反应，得到碳化的混合生物质前驱体；

(2)将碳化的混合生物质前驱体与碱金属氢氧化物混合，在惰性气氛下进行活化反应，得到高比电容的三维多孔碳材料。

步骤(1)所述生物质为椰壳、甘蔗渣、树皮、淀粉、葡萄糖、蔗糖、纤维素粉、麦秆和玉米杆中的两种以上。

步骤(1)所述预处理的生物质是将生物质干燥和粉碎获得粒径小于75μm的细粉，然后过200目检验筛。