[发明专利]一种炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学炭材料技术领域，提供了一种炭复合材料及其制备方法和应用。本发明将热解焦油进行蒸馏，得到含有丰富多环芳烃和聚合活性高的蒸馏底物；蒸馏底物的使用，避免了热解焦油因组分复杂，使得聚合反应难以调控，所得炭复合材料电化学性能差的缺陷。同时，以生物炭材料作为骨架，与含有丰富多环芳烃和聚合活性高的蒸馏底物混合依次进行聚合反应和活化，使得蒸馏底物在生物炭材料表面聚合，进而形成三维孔隙可调控的炭复合材料，提高炭复合材料的电化学性能。实施例表明：以本发明的炭复合材料为工作电极，在20mA/g电流密度下，所得工作电极的比电容为300~350F/g，5000次循环后比电容保持率为92~95%。

技术领域

本发明涉及电化学炭材料技术领域，尤其涉及一种炭复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

生物质热解炭气技术是将生物质在缺氧或者少氧的情况下，生产以生物炭、热解气为主的能源利用技术，该技术既能够实现秸秆、果木剪枝等农林废弃物资源化再利用，又能为农村地区提供可燃热解气等清洁可再生能源。但是，生物质热解炭气联产过程中不可避免产生热解焦油这一副产物，热解焦油因存在低温下易凝结、堵塞燃气管道、卡死阀门、腐蚀金属等问题而不方便直接被利用。热解焦油的处理成为制约生物质热解炭气技术发展的一个突出问题。

目前，处理热解焦油的方法包括高温裂解法、催化剂裂解法、等离子体法以及燃烧利用法。这些方法通过高温或者催化等方法将大分子焦油裂解为小分子气体，在一定程度上解决了热解焦油难利用问题。但另一方面，热解焦油含有近千种活性强的化合物，包含酚类、糖类、呋喃类、醛类以及可溶性重质聚合物组分等，这些活性强的化合物使热解焦油具有反应网络复杂、热不稳定性高等特点，促进热解焦油发生聚合反应，导致热解焦油平均分子量增大，并且热解焦油灰分含量低。因此，利用热解焦油富碳、易聚合、低灰分等特性，通过聚合反应制备富碳低灰的焦油炭材料，再通过进一步的活化改性可以制备电化学性能良好的炭材料，可应用于超级电容器的电极材料。

电极材料作为超级电容器的核心部件，其结构和性质是决定超级电容器性能的关键因素。研究表明，煤炭、木材、果壳、重油等富碳固体废弃物等原料均可用来制备炭材料。公开号为CN112645304A的中国专利公开了一种以重质油为原料通过浅度交联协同缩聚组合工艺制备得到中间相炭微球的方法；公开号为CN108840331A的中国专利公开了一种高层间距人造石墨材料及其制备方法，以沥青和生物质焦油混合后在温度350~550℃、压强1~20atm条件下进行缩聚、交联，得到交联中间相沥青；将交联中间相沥青冷却并在室温条件下进行解聚后在氮气氛围下升温至2400~3200℃，保温1~2h石墨化，得到高层间距人造石墨材料。公开号为CN102491307A的中国专利公开了一种共缩聚制备中间相炭微球的方法，以煤焦油沥青和煤液化残渣沥青为原料，在压力0.2~2MPa、温度390~450℃下反应5~12h，生成含有中间相炭微球的沥青，然后用煤焦油的轻质馏分和有机溶剂洗涤得到中间相炭微球。公开号为CN114420472A的中国专利公开了一种生物质热解油制备储能电极材料方法，主要包括生物质热解油的制备、氮元素掺杂、聚合、活化改性、制备电极材料。然而，上述专利得到的炭材料均存在一个问题：由于热解焦油成分复杂，聚合反应复杂难以调控，导致所得炭材料的电化学性能差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种炭复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法得到的炭复合材料具有优异的电化学性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将热解焦油进行蒸馏，得到蒸馏底物；

将所述蒸馏底物和生物炭材料混合，得到聚合原料；

将所述聚合原料进行聚合反应，得到聚合物；

将所述聚合物和活化剂混合，进行活化，得到所述炭复合材料；

所述蒸馏的温度为120~150℃。