[发明专利]一种生物质基碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种生物质基碳材料及其制备方法和应用，该生物质基碳材料的制备方法包括如下步骤：预处理后的淀粉类生物质在氧化剂作用下进行氧化反应，反应结束后，经后处理，得氧化生物质碳；将所述氧化生物质碳经微波活化，得所述生物质基碳材料；其中，所述氧化反应的温度为0‑20℃；所述氧化剂为浓硫酸和高锰酸钾。本发明提供的生物质基碳材料的制备方法，通过采用土豆、地瓜等富含的淀粉的生物质中，在浓硫酸和高锰酸钾的双重作用下在0‑20℃进行氧化，结合后续的微波活化步骤，可显著提高生物质基碳材料的比表面积及电化学性能，且整个制备过程能耗低，为高比表面积的生物质基碳材料提供了新的制备方法及思路。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种生物质基碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料是一种具有丰富的孔隙结构的疏水基碳质吸附材料，它具有吸附能力强，化学稳定性好，力学强度高，且方便再生等特点，被广泛应用于工业、农业、医药卫生、环境保护和电极材料等领域。

制备碳材料的主要原料有秸秆等生物质及其废弃物，煤和石油焦等石化能源。相比于石化能源，木材、木屑、秸秆等生物质及其废弃物不仅原料丰富、价格低廉，而且具有可降解特性，是目前制备碳材料的主要原料。

传统的生物质基碳材料一般是通过常温活化结合高温炭化的工艺制备，但是这种方法不仅能耗较大，而且得到的生物质基碳材料比表面积较小，不能满足实际应用需求，尤其是在用于制备超级电容器时，制得的超级电容器的电化学性能较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种生物质基碳材料及其制备方法和应用，该生物质基碳材料的制备方法不仅能耗低，且制得的生物质基碳材料的比表面积大，电化学性能优异。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种生物质基碳材料的制备方法，包括如下步骤：

预处理后的淀粉类生物质在氧化剂作用下进行氧化反应，反应结束后，经后处理，得氧化生物质碳；

将所述氧化生物质碳经微波活化，得所述生物质基碳材料；

其中，所述氧化反应的温度为0-20℃，所述氧化剂为浓硫酸和高锰酸钾。

本发明提供的生物质基碳材料的制备方法，通过采用土豆、地瓜、山药、小麦、高粱、山药和莲藕等富含的淀粉的生物质中，在浓硫酸和高锰酸钾的双重作用下在0-20℃进行氧化，结合后续的微波活化步骤，可显著提高生物质基碳材料的比表面积及电化学性能，且整个制备过程能耗低，为高比表面积的生物质基碳材料提供了新的制备方法及思路，易于工业化生产。

具体地，利用生物质中富含的淀粉在浓硫酸和高锰酸钾的作用下，于0-20℃下进行氧化，一方面可以在浓硫酸的作用下脱水生产活性碳材料，另一方面在高锰酸钾的作用下可使碳材料表面产生氧化性官能团，在后续微波活化步骤无需添加活化剂，可直接吸收微波能进行加热，达到扩孔的目的。如果采用不含淀粉或者含淀粉比较少的生物质，制得的氧化生物质碳中会含有过多官能团，后续微波活化过程容易剧烈放电，将氧化生物质碳彻底氧化为气体。通过限定氧化反应的温度为0-20℃，可防止温度太高，氧化过于剧烈，甚至把整个生物质进行炭化，或者温度太低，氧化不完全，最终得到的生物质基碳材料表面积小，电化学性能差。

优选的，所述氧化反应的温度为5-20℃。通过进一步限定氧化反应的温度，可进一步提高生物质基碳材料的比表面积和电化学性能。

可选的，所述预处理后的淀粉类生物质的制备方法包括如下步骤：

将淀粉类生物质依次用水、无水乙醇分别清洗1-3次，干燥，粉碎，即得预处理后的淀粉类生物质。

通过对淀粉类生物质进行预处理，以除去生物质表面的尘土类附着物，可以防止后期氧化和微波活化过程中，这些尘土类附着物堵塞生物质基碳材料的孔洞。