[发明专利]一种载硫杨木炭电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种载硫杨木炭电极材料及其制备方法与应用，属于生物质碳材料制备技术领域。本发明通过用含硫脱木质素溶剂浸泡杨木木材得到脱木素木材，随后在惰性气氛下碳化热解制得；在碳化过程中因促进了杨木分级多孔结构的进一步收缩，而提高材料比表面积并降低材料表面电荷传输电阻，最终制备出表面具有多层炭膜“卷饼”结构的载硫杨木炭，其可用作超级电容器电极，以提高电容器的储电性能。同时本发明还公开了一种无需添加其他造孔剂或模板剂并经一步法即可制备载硫“卷饼”杨木炭的方法，该方法简单易行、生产效率高，适于推广。

技术领域

本发明属于生物质炭材料制备技术领域，涉及一种多孔生物质炭材料制备工艺，具体涉及一种用于超级电容器的载硫“卷饼”杨木炭电极材料及其制备方法。

背景技术

为了抵御石油资源危机的风险，风能、太阳能和潮汐能作为可再生能源被大规模开发利用。但是，上述能源是间歇性产能，需要大规模电网储能系统进行存储；鉴于锂资源分布不均和高成本的局限性，人们广泛关注成本相对低廉的钠离子电池。

在过去十年中，钠离子电池电极材料从基于生物质的锯末超级电容器的制备已成为显著研究的主题，以为进一步发展可再生和低成本的新能源。且由于生物质具有可再生性质，将其用作生产硬碳的前体具有低成本和环境友好的特性。水葫芦、香蕉皮、山竹壳、椰子壳、玉米芯、玉米秸秆、木材、棉花、纤维素、稻壳、松果、泥炭藓和活性污泥等已被用作生产具有电化学特性的优质硬质碳前体。

此外，目前用于提高基于生物质碳材料的比电容的常见策略如下：(1)采用适当模板剂的掺杂，提高碳骨架的石墨化；(2)采用氧化物与碳制备复合材料；(3)在材料表面构建空位或缺陷。使用有效的模板剂来控制多孔碳的孔径结构是常见的应用策略。例如采用环境友好的SiO₂作为模板剂来调节中空核壳结构炭的孔隙结构，可以有效提高碳电极的比电容、电荷传输速率和循环寿命。然而，将硅掺杂到固态生物质锯末调节生物质基碳孔结构的过程仍然难以精准控制其孔径分布。在基于生物质碳材料的超级电容器领域，仍然存在两个主要挑战：(1)能否提供均匀的有序的孔结构并简化传统碳化工艺过程；(2)获得稳定的高比表面积的多孔碳结构，为其提供更高的能量密度和功率密度。

因此，如何提供一种工艺简单、具有有序孔结构并用于超级电容器的载硫“卷饼”杨木炭电极材料制备方法是本领域技术人员现阶段亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于超级电容器的载硫“卷饼”杨木炭电极材料的制备方法，该方法工艺无需添加其他造孔剂或模板剂，简单易行，适于应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种载硫“卷饼”杨木炭电极材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：

(1)将杨木木材浸泡在含硫脱木质素溶剂中回流浸渍，得到脱木素木材；

(2)将步骤(1)制备的脱木素木材在惰性气体保护下进行碳化热解处理，得到载硫“卷饼”杨木炭电极材料。

需要说明的是，本发明公开制备的杨木炭材料，以城市园艺材中常见的杨木为原料，是一种保留木材高度各项异性的具有“卷饼”结构的载硫杨木炭电极材料，其不仅能够解决现阶段随着城市绿化建设的飞速发展，城市花园绿化废物的增加，如植物残渣、枯枝、落叶、修剪的枝叶和草坪修剪，因通过掩埋或焚化处理这些花园绿化废物而导致的环境污染与生物质资源浪费问题。

进一步的，木材来源于天然森林资源被认为是自然界重要的碳库。木材因生物构造的原因往往具有独特结构的分级多孔结构，因此，与没有这种排列方式的电极材料相比，木材具有一系列取向排列的大致相同的微通道，具有开放微通道的天然生物质材料炭或其衍生物是可以提供更多的电荷存储位点以增强电极的电化学性能。