[发明专利]一种烟梗基多孔炭材料及其制备方法与在超级电容器中的应用

说明书

本发明公开了一种烟梗基多孔炭材料及其制备方法与在超级电容器中的应用。本发明采用预氧化‑自活化法制备烟梗基多孔炭材料，首先将部分烟梗在CaO·B₂O₃催化剂中进行水热催化得到水热碳，另外将部分烟梗进行空气预氧化得到预氧化碳，再将水热炭和预氧化炭球磨、碳化得到烟梗基多孔炭材料。本发明烟梗基多孔炭材料具有丰富的、相互连通的微孔等孔道结构和丰富的活性含氧官能团，改善多孔炭表面特性，从而改善其亲电解质界面，能够提供部分赝电容，显著提升多孔炭的比电容。

技术领域

本发明属于生物质多孔炭技术领域，具体涉及一种烟梗基多孔炭材料及其制备方法与在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器作为一种新的储能器件，具有高功率密度、快速充放电、循环寿命长、适用温度宽等优点，在电动公交、电网调频和备用电源等领域得到广泛应用。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素，碳材料具有来源广泛、孔道结构可调控、导电性和热稳定性好等优点，是目前应用广泛的电极材料。其中，生物质多孔炭具有比表面积高、成本低、化学性质稳定的优点，但由于粗生物质结构致密，组分复杂，常使用大量的强腐蚀性活化剂，使其活化过程复杂且不绿色，不利于实现工业化应用。

烟梗是烟草工业中重要的副产物之一。据中国统计年鉴显示，大部分烟梗被直接废弃或焚烧导致了严重的资源浪费和环境污染问题。近年来，为了实现废弃烟梗的高值化利用，以烟梗为碳源制备储能用多孔炭已成为研究热点。Kleszyk P等(Carbon.2015,81:148-157.)将烟梗自活化后得到烟梗基多孔炭用于超级电容器中，其比表面积能高达1437m²/g，在0.2A/g电流密度下比电容能达到230F/g，但仍不能满足目前对超级电容器比容量的要求。烟梗中含有丰富的原生孔道，有利于形成多级孔结构。此外，烟梗中的杂原子元素(N、O、S等)和金属元素(K、Ca等)在碳化过程中能够发生自掺杂和自活化，能够改善多孔炭表面特性及丰富其孔道结构，有利于提高电化学性能。所以，烟梗是制备多孔炭的理想生物质碳源。

然而，目前以粗生物质(植物的叶、茎、皮等)为碳源制备多孔炭用于超级电容器存在以下问题：(1)粗生物质不溶于水，导致其与活化剂接触复合困难，以至于活化剂用量大但活化效果不理想；(2)粗生物质拥有致密结构特点，所以目前大部分研究采用大量强腐蚀性试剂(KOH、ZnCl₂等)对其活化，该过程容易造成二次污染且成本大大提高，同时对设备耐腐蚀性要求极高，不利于实现大规模工业化生产；(3)针对超级电容器用生物质多孔炭，许多粗生物质碳化中能发生自掺杂，但含氧活性官能团含量取决于原料中的含量，且高温碳化时容易分解，导致其含量普遍较低，其电化学性能仍需提高。