[发明专利]一种自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极材料制备技术领域，具体公开了一种自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料及其制备方法和应用。所述的自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料的制备方法，包含如下步骤：(1)种植烤烟；(2)取烟草秸秆，将烟草秸秆粉碎得烟秆粉，接着将烟秆粉进行干燥；(3)将干燥的烟秆粉进行热解处理，得到烟秆炭粉前驱体；(4)将烟秆炭粉前驱体与KOH混合后，加入水进行进一步研磨捏合，干燥后得烟秆碳粉/KOH混合物；(5)接着将烟秆碳粉/KOH混合物进行热处理；即得所述的自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料。采用本发明所述的烟杆基活性炭电极材料制备超级电容器，可以提高超级电容器的比电容，增加能量密度，同时还拓宽活性炭材料的电位窗口。

技术领域

本发明涉及电极材料制备技术领域，具体涉及一种自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

烟杆为烟草秸秆，每年在摘收完烟叶后，产生大量的烟草秸秆；对于烟草秸秆，目前主要采用的是焚烧和丢弃。然而焚烧和丢弃烟草秸秆会对大气和环境产生一定的污染；因此，有必要开发一种烟草秸秆的回收利用方法。

为了减少对环境的污染以及提高烟草秸秆的利用率，提升烟草种植的经济价值，以烟草秸秆为原料制备活性炭电极材料是烟草秸秆的利用方式之一。

活性炭电极材料为制备超级电容器的电极材料，为了提高超级电容器的性能，本领域技术人员通常在碳材料中掺杂磷元素。磷元素掺入碳材料后可以使其在正电位情况下更趋于稳定，而在负电位下则可以吸收部分质子，拓宽活性炭材料的电位窗口，除此之外，其赝电容效应可以增大活性炭材料的比电容。

自掺杂磷元素是指植物在生长过程中，通过自身吸收磷元素，然后将磷元素留在植物体内，成为植物的组成部分；然后将含磷元素的植物为原料进行热解处理得自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料。

磷元素是烟叶生长的必要元素之一，然而发明人在研究中发现，在烟草种植过程中，烟草秸秆中沉淀的磷元素含量较少，以烟草秸秆为原料制备活性炭电极材料，得不到掺杂较高磷元素的活性炭电极材料，将其作为超级电容器的电极材料进而会影响超级电容器的性能。然而，采用自掺杂方法制备活性炭电极材料，如何提高活性炭电极材料中的磷元素含量，是本领域的技术难点。

发明内容

为了克服背景技术中提到的至少之一的技术问题，本发明提供了一种自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料的制备方法。

本发明所要解决的上述技术问题，通过如下技术方案予以实现：

一种自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料的制备方法，其包含如下步骤：

(1)种植烤烟；

(2)取烟草秸秆，将烟草秸秆粉碎得烟秆粉，接着将烟秆粉进行干燥；

(3)将干燥的烟秆粉进行热解处理，得到烟秆炭粉前驱体；

(4)将烟秆炭粉前驱体与KOH混合后，加入水进行进一步研磨捏合，干燥后得烟秆碳粉/KOH混合物；

(5)接着将烟秆碳粉/KOH混合物进行热处理；即得所述的自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料；

其中，步骤(1)种植烤烟过程中，对烟草施氮、磷和钾肥；对烟草施氮、磷和钾肥时，将氮、磷和钾肥和香樟树枝叶水提液一起施肥。

发明人研究发现，在烟草种植过程中，烟草茎中富集的磷元素含量较少，相应的烟草秸秆中沉淀的磷元素含量也较少；从而导致以烟草秸秆为原料通过自掺杂方式制备活性炭电极材料，得不到掺杂较高磷元素的活性炭电极材料。为了提高以自掺杂方式制备的活性炭电极材料中的磷元素含量。发明人在研究中发现，在对烟草施氮、磷和钾肥时，将氮、磷和钾肥和香樟树枝叶水提液一起施肥；香樟树枝叶水提液可以促进磷元素在烟草茎中富集，相应的烟草秸秆中沉淀了较多的磷元素含量；进而有效地提高了自掺杂磷元素的烟杆基活性炭电极材料中的磷元素含量。