[发明专利]一种生物质基碳电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种生物质基碳电极材料及其制备方法和应用。本发明以生物质蒲棒作为前驱体和生物质碳材料，KOH溶液作为活化剂，利用蒲棒容易吸水的结构特点，将生物质碳材料浸泡在KOH溶液中，使得活化剂与生物质碳材料充分接触，制备出了比表面积较大的多孔碳材料；在碳化的过程中KOH同时起到活化和造孔两个作用，制备得到的多孔碳材料表现出优异的电化学性能，能够被应用于制备超级电容器正极材料中，为生物质资源化和高效利用提供了一条新的思路。

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种生物质基碳电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

通过调节碳材料的孔经结构和比表面积可以有效的提高电极材料电化学性能。目前广泛采用且有效的方法是通过模板法。硬模板法主要用硅基作为硬模板，具有材料形貌精确可控的优点。但是，该方法合成和去除模板的过程较为复杂，且制备过程会使用一些有毒的药剂，不适合大规模生产。另一种方法是通过使用简单和廉价的盐，如氯化钠，氯化锌，氯化钾，碳酸氢钠、碳酸钾等作为模板制备电极材料。这类方法具有盐模板容易去除的优点，并且在碳化的过程非金属元素可以被有效固定，提高了杂原子在碳材料中的含量。

目前，采用生物质材料制备的碳材料多采用以下两类活化方式。一是水热活化：在高压反应釜中，将生物质材料和溶液放入反应釜中，在一定温度和压力下发生化学反应，反应产物经过进一步处理后再进行碳化。二是高温条件下碳化和活化同时进行：将预碳化(或者原材料)的生物质材料与一定质量比的金属盐(氯化锌、氢氧化钾等)进行混合，然后在惰性气体(氮气或氩气)的保护下高温活化。也可以直接将预处理过的生物质材料置于管式炉中，通入含有氧气和二氧化碳的惰性气体，对碳化所得产物进一步活化，提高比表面积。

目前活化技术主要存在以下缺点：1、活化过程中需要用到较多贵重药品，污染大，产品产率低，制备的碳材料需要经过多次清洗处理方可使用，实际制备成本很高；2、以上方法基本上可以得到比表面积大且孔隙率好的碳质材料，但由于生物质碳材料与活化剂混合不均匀，导致活化的程度较低，因此在水系电解液中的比电容较低，限制了其实际大规模应用。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种生物质基碳电极材料及其制备方法和应用；本发明以生物质蒲棒作为前驱体，KOH溶液作为活化剂，利用蒲棒容易吸水的结构特点，将生物质碳材料浸泡在KOH溶液中，使得活化剂与生物质碳材料充分接触，制备出了比表面积较大的多孔碳材料；在碳化的过程中KOH同时起到活化和造孔两个作用，制备得到的多孔碳材料表现出优异的电化学性能，为生物质资源化和高效利用提供了一条新的思路。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种生物质基碳电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将蒲棒采用KOH溶液进行活化处理，得到处理蒲棒；

(2)将步骤(1)处理蒲棒冷冻干燥，至表面水分完全蒸干，得到冻干活化蒲棒；

(3)将步骤(2)的冻干活化蒲棒在保护气氛下进行退火处理，得到碳化蒲棒；

(4)将步骤(3)的碳化蒲棒与硝酸溶液混合，然后经离心、烘干、研磨，得到生物质基碳电极材料。

优选的，所述步骤(1)中蒲棒为撕成绒状的蒲棒，所述蒲棒的活化处理方法为：将绒状的蒲棒加入至KOH溶液中搅拌4-6h。

优选的，所述步骤(1)中KOH溶液浓度为1-6mol/L，蒲棒的质量与KOH溶液的体积比为1-3g：10-30mL。

优选的，所述步骤(2)中冷冻干燥条件为：于-60--80℃下干燥24-48h。

优选的，所述步骤(3)中退火处理条件为：以5-8℃/min的升温速率，于600-800℃下退火2-4h。