[发明专利]一种石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法。该方法制备的活性炭材料具有高石墨化程度和分级多孔结构，具体工艺步骤如下：首先，将生物质玉米芯粉碎后浸泡于氢氧化钾溶液中；然后，将浸泡后的玉米芯粉末采用动态升温速率工艺进行高温炭化活化；最后，将活化后的产物酸洗、干燥，得到石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料。本发明的石墨化多孔玉米芯衍生炭材料用作超级电容器电极材料时，表现出良好的比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性。本制备方法具有工艺简单、制备成本低、环境友好和附加值高等优点。

技术领域

本发明涉及一种电极材料的制备方法，尤其涉及一种具有高石墨化和多孔结构的玉米芯衍生炭电极材料的制备方法；属于新能源材料领域。

背景技术

随着煤炭、石油等矿物碳原材料的日趋耗竭，生物质炭材料日益受到人们的重视。其中，玉米芯作为一种重要的生物质炭材料，具备丰富的天然孔洞结构，从而使得采用玉米芯制备的生物质基活性炭具有较大的比表面积和丰富的孔结构。这一结构特征极大地满足了双电层电容器材料对高比表面积和丰富孔洞结构的要求，因此，在超级电容器电极材料等领域显现广阔的发展前景。

2015年，Qu等人（Bioresource Technology, 2015, 189:285-291）采用简单的一步法对玉米芯残渣进行炭化活化处理，获得了具有高比表面积（1210 m²/g）的多孔活性炭，该活性炭电极材料在6 M KOH电解液中测得的比电容高达314 F/g，且100000次循环后几乎没有电容量的衰减，显示出了优异的电化学性能和良好的循环稳定性能。2018年，Wang等人(Chemical Engineering Journal, 2018, 348: 57-66)采用海藻为碳源，通过改变活化温度以及致孔剂与生物质碳源的比例来制备富含氮的多孔活性炭电极材料，在0.2 A/g的电流密度下进行恒流充放电测试，材料的比容量可达287.7 F/g，在10 A/g的高电流密度下，电容仍保留228 F/g，比电容保持率高达79.3%，具有优异的倍率性能。

尽管通过玉米芯获得的活性炭都表现出良好的超级电容器电化学性能，不过所获得的玉米芯衍生炭石墨化程度较差，且孔结构单一，不能同时实现高的倍率性能和储能容量。因此寻找一种可有效调控玉米芯衍生炭的石墨化程度和孔结构的制备方法，并获得高效的超级电容器电极材料具有重要科学意义和社会价值。

发明内容

本发明提供了一种石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法。影响碳基超级电容器电化学性能的主要因素不仅是活性炭材料的孔径大小和分布，同时石墨化程度也起关键性作用。众所周知，当孔隙较为丰富时，通常导致较差的石墨化程度。该方法利用动态升温速率工艺制备了玉米芯衍生炭，同时获得了分级多孔结构和良好石墨化程度，并极大地提高了所制备玉米芯衍生炭作为超级电容器电极材料的比容量和倍率性能。

本发明的技术解决方案是：首先，将生物质玉米芯粉碎后浸泡于氢氧化钾溶液中，然后加热搅拌得到均匀混合物；其次，将所得混合物干燥后采用动态升温速率工艺进行高温炭化活化处理；最后，将高温处理后的产物通过酸洗、干燥，得到具有分级多孔结构和良好石墨化程度的玉米芯衍生活性炭材料。

上述石墨化多孔玉米芯衍生炭电极材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将生物质玉米芯清洗、干燥、粉碎后浸泡于氢氧化钾溶液中，加热搅拌得到富含氢氧化钾的玉米芯材料；

（2）将浸泡后的玉米芯干燥，然后在惰性气体下，采用动态升温速率工艺进行同步高温炭化活化处理；

（3）将高温处理后的产物进行洗涤、离心和干燥，得到具有分级多孔结构和良好石墨化程度的玉米芯衍生活性炭材料；

步骤（1）中，玉米芯主要成分为纤维素，半纤维素和木质素，含量分别为30 wt.%～40 wt.%，30 wt.%～40 wt.%，20 wt.%～30 wt.%。