[发明专利]一种基于椰壳材料的高温热冲击碳化和KOH活化的多孔碳材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种基于椰壳材料的高温热冲击碳化和KOH活化的多孔碳材料、制备方法及应用，本发明将椰壳材料研磨成颗粒状，然后进行第一次热冲击碳化得到椰壳预碳化材料，再将椰壳预碳化材料与KOH粉末混合研磨均匀后进行第二次热冲击碳化得到多孔碳材料，制备步骤简单、耗时短，并且可应用在超级电容器上。在椰壳预碳化材料和KOH配料比为1:3时，所制备的多孔碳电极材料展现出了比表面积大、孔径分布窄、孔隙丰富的结构特征，提高了电极材料的电化学性能表现，具体表现为225.15F g^‑1的高比电容和良好的倍率性能，在电流密度扩大10倍之后，比电容仍可达到140.45F g^‑1。本发明成本低、操作简便、具有高比电容和良好的倍率性能，是应用于超级电容器有前途的电极材料。

技术领域

本发明属于新能源材料中的超级电容器领域，具体涉及一种基于椰壳材料的高温热冲击碳化和KOH活化的多孔碳材料的制备及其在超级电容器上的应用。

背景技术

自工业革命以来，传统化石能源诸如煤、石油、天然气驱动着人类社会不断发展和进步，然而这几类不可再生资源的利用会产生对环境和人体都有危害的副产物，如CO等有毒害气体，此外燃烧产物中的CO₂会加剧温室效应。因此随着人口的快速增长和人们对美好生活的强烈需求，新能源技术的发展和创新显得尤为重要。近年来，中国对新能源技术如水利能、风能、潮汐能进行了长远的战略规划并提供强大的资金支持，促进低碳经济发展模式逐渐取代了传统的高污染发展模式。但上述几种新能源在自然界中的储存和和收集相当不便，因此对更符合可持续发展要求新型储能器件的开发和研究显得尤为重要。

超级电容器作为一种新型储能器件，因其具有循环寿命长、功率密度高、充放电次数多等优势，被认为是最有前途的新一代高性能电源产品之一，近年来开始在军事、汽车、航空和一些需要短时高倍率放电的应用中占有重要地位。

对于超级电容器而言，实现能量储存的关键在于选择性能良好的电极材料，多孔碳材料因具有较高的电导率和比表面积、良好的抗腐蚀性及高温稳定性广泛用作超级电容器的电极材料。目前商业电化学用多孔碳材料价格仍然十分高昂，因此迫切需要研发一种高效、低成本制备多孔碳材料的方法。我国生物质储量巨大、价格低廉，是制备多孔碳材料的理想前驱体。在众多的生物质资源中，椰壳的材质粗糙且坚硬、结构疏松，具有较高的含碳量，是一种生产多孔碳材料的优质原料。目前应用较多的生物质炭化方法是在炭化炉中进行高温(惰性气氛)炭化处理。炭化结束后，收集炭化料。但上述方法制备过程繁琐，制备周期长，成本较高，污染环境。高温热冲击法(HTS)是一种基于电焦耳加热的技术，其可以在超短时间内(10毫秒)，将原材料加热到3000K以上的温度，实验过程中样品的升/降温速率均高达10⁵K/s，完成从原材料到超细小且均匀分散的纳米颗粒的超快速转变。利用高温热冲击法将非电化学活性碳或生物质材料快速转变为电化学活性碳材料不仅能高效利用生物质能，还能极大降低电化学多孔碳材料的制备成本，具有十分巨大的发展潜力。但是直接利用高温热冲击法碳化的生物质材料作为电化学电极材料却效率不高，阻碍了进一步发展，因此，如何利用高温热冲击法碳化的制备具有良好电化学性能的生物质材料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，以椰壳为原料，通过高温热冲击碳化和KOH活化法，提供一种基于椰壳材料的多孔碳材料、制备并研究其在超级电容器上的应用，本发明展现出高比表面积、大比容量，良好的充放电性能和循环性能等优点。

本发明采用的技术方案具体如下：一种基于椰壳材料的高温热冲击碳化和KOH活化的多孔碳材料制备方法，包括以下步骤：

(1)将椰壳材料研磨成颗粒状，然后进行第一次热冲击碳化得到椰壳预碳化材料，热冲击温度为800℃-900℃。

(2)将步骤(1)得到的椰壳预碳化材料与KOH粉末混合研磨均匀后进行第二次热冲击碳化得到多孔碳材料，热冲击温度为800℃-900℃。

进一步地，所述步骤(1)中，将椰壳材料研磨成颗粒状，具体为：