[发明专利]生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合材料及其定向合成方法和在制备超级电容器电极中的应用。该复合材料包括生物质基活性炭，在生物质基活性炭的介孔中分布有CuO纳米颗粒；所述生物质基活性炭的比表面积为2600 m² g^‑1；CuO纳米颗粒的粒径大小为10‑20nm。本发明的复合材料不仅保持了原始活性炭的超大比表面积，还负载了可产生双氧化还原反应的CuO纳米粒子。采用这种双电层特性碳基材料和CuO赝电容材料协同共存的复合材料作为超级电容器的电极材料时，显著提高了其质量比电容和稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料与生物质固废再利用的能源化工技术领域，具体涉及一种生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合材料及其定向合成方法和在制备超级电容器电极中的应用。

背景技术

超级电容器（SCs）是一种常见的能量存储设备，由于其具有较高的比电容量、优异的循环性能、较长的循环寿命和充放电速率而被广泛应用于便捷式电子设备中，这也有利于电源转换设备的集成。根据电荷存储机制，SCs可以分为双电层电容器（EDLC）和法拉第赝电容器（PCs）。EDLC是通过在惰性电极表面上吸附电解质离子而形成的双层电荷的扩散和积累，该惰性电极的电极材料通常是比表面积大且亲水性好的碳材料，它们往往具有较低的能量密度。PCs是基于活性材料表面上的快速可逆的法拉第反应，例如由金属氧化物和导电聚合物产生的电容，其理论比电容往往是双电层电容的数倍，但是由于其较差的循环稳定性和导电性，PC在应用中无法获得足够的理论比电容。近年来，通过对碳材料的表面进行金属氧化物的合成改性可以获得具有高容量和优异稳定性的超级电容器，这也成为研究人员们所关注的重点，并激发人们不断地尝试合成新型的电极材料。

由于贵金属氧化物，例如RuO₂和IrO₂具有其大的比电容、宽的电势窗口和高的电化学稳定性，它们被用作理想的超级电容器电极材料，但是贵金属的高成本限制了其广泛应用。因此，近年来，人们对廉价的过渡金属氧化物，例如氧化镍（NiO）、氧化锰（MnO）和氧化铜（CuO）等越来越受到人们的重视。其中，CuO具有高的理论比电容、低成本、来源广泛、环境友好，良好的循环稳定性和易于制备的优点，因此将碳基材料与CuO纳米颗粒混合形成复合材料是提高材料的比电容和稳定性的可靠手段。通常而言，碳基材料主要包括活性炭，石墨烯和碳纳米管，在这些碳电极材料中，石墨烯和碳纳米管制作工艺复杂而且成本高，不适用于大规模生产。而生物质可以作为一种有前景的活性炭前驱体，具有绿色可再生、廉价、资源丰富的特点，不仅可以满足能源需求，而且可以促进化学和能源工业的发展。花生是被广泛种植的世界上最重要的产油作物之一，花生壳（PS）是其种植过程的主要副产物。全球花生壳的年产量巨大，目前花生壳作为动物饲料或燃料的用途非常有限。然而，花生壳的碳含量较高，具有转化制备碳材料的潜力，可以实现花生壳的高价值开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合材料及其定向合成方法和应用，通过使用廉价高产的花生壳和醋酸铜来制备生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合电极材料，得到的复合材料不仅保持了原始活性炭的超大比表面积，还负载了可产生双氧化还原反应的CuO纳米粒子。采用这种双电层特性碳基材料和CuO赝电容材料协同共存的复合材料作为超级电容器的电极材料时，可显著提高了其质量比电容和稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种生物质基活性炭负载CuO纳米颗粒复合材料，包括生物质基活性炭，在生物质基活性炭的介孔中分布有CuO纳米颗粒；

所述生物质基活性炭的比表面积为2600 m² g^-1（其中中孔1943 m² g^-1，微孔1302m² g^-1）；CuO纳米颗粒的粒径大小为10-20 nm。

进一步地，所述生物质基活性炭是以花生壳为原料，经碳化后再活化得到。