[发明专利]基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极、制备方法和超级电容器

说明书

一种基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，包括炭化木片基体，炭化木片基体内部具有管胞结构，炭化木片的管胞结构内通过葡萄糖和氯化钠模板构建有多孔碳骨架；葡萄糖的浓度为3mol/L‑5mol/L，氯化钠的浓度为1mol/L‑3mol/L。本发明中，利用预碳化木材表面丰富的官能团在木材衍生碳管胞内部构建三维多孔碳结构。氢氧化钾刻蚀后，E‑PCS@WC电极的结构和亲水性得到了很大的改善。该电极具有高亲水性，高体积能量密度和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种电极材料，尤其涉及一种用于超级电容器的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极和制备方法。

背景技术

超级电容器(SC)是一种绿色储能器件，具有电化学性能稳定、使用寿命长、充放电速率快、功率密度高、制造方便等优点。其中，电极材料是SC的核心组成部分，目前商业化所采用的碳电极材料(如：活性炭、碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯) 具有高比表面积，但其比容量十分不理想。同时对于此类碳电极材料来说随着活性物质的增加会使得电极厚度增加，其倍率性能和结构稳定性变差，限制了材料的电容性能进一步提高。因此，构建稳固的具有良好孔隙分布的三维多孔碳骨架实现电荷高速转移和离子快速动态传输，是获得高性能SC电极的关键。

天然木材碳化后能够保留木材管胞固有的三维定向碳骨架。木材衍生碳保留结构的同时展现出优异的导电性和结构稳定性，作为超级电容器自支撑电极材料具有得天独厚的优势。已有文献报道，用MnO₂、Co(OH)₂、和聚吡咯等活性物质来填充椴木、杨木和泡桐木的管胞，制备了一系列SC电极。在此基础上，我们以针叶木材加工残渣为基材也开发了一系列高性能SC电极材料，包括用化学方法增加木材衍生碳的比表面积、填充具有核壳结构的活性物质等。但木材管胞空腔占体积的80%左右，因此上述研究对管胞空间和活性物质的利用都较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高亲水性、高体积能量密度和优异的循环稳定性的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的超级电容器电极和制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，包括炭化木片基体，所述炭化木片基体内部具有管胞结构，所述炭化木片的管胞结构内通过葡萄糖和氯化钠模板构建有多孔碳骨架；所述葡萄糖的浓度为3mol/L-5mol/L，所述氯化钠的浓度为1mol/L-3mol/L。

上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，优选的，构建有多孔碳骨架的炭化木片通过氢氧化钾蚀刻处理；所述氢氧化钾的浓度为1mol/L-3mol/L。

上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，包括以下步骤：

1）将具有管胞结构的木片切成预设尺寸；

2）将木片在干燥箱中预炭化

3）将预炭化后的木片浸泡在3mol/L-5mol/L的葡萄糖和1mol/L-3mol/L的氯化钠混合溶液中，真空浸泡10小时以上；

4）将步骤3）浸泡后的木片干燥后在惰性气体保护下进行煅烧炭化，煅烧的温度为300-850℃，时间为2-6小时；煅烧后用去离子水清洗；步骤4）得到的电极标记为PCS@WC。

5）将步骤4）得到的木片放入到氢氧化钾溶液中，氢氧化钾的浓度为1mol/L-3mol/L，真空浸泡2-6小时，干燥；

6）在惰性气体的保护下将步骤5）得到的木片煅烧1-3小时，煅烧温度为650-850℃；

7）用HCl溶液清洗掉木片上多余的氢氧化钾，并用去离子水清洗至中性，HCl溶液的浓度为3-6mol/L；得到基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，记为E-PCS@WC。

上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，优选的，所述预炭化的温度为200-300℃，时间为3-6小时。