[发明专利]一种自模板法纤维类生物质基多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及自模板法纤维类生物质基多孔碳材料以及其制备方法，并将制备的多孔碳材料应用于超级电容器，属于材料科学领域。

背景技术

随着全球工业的迅速发展，大量的煤炭、石油等不可再生资源不断被消耗，造成资源的短缺。因此我们必须寻找一种新的能源来减少或者替代不可再生资源的消耗。利用可再生的生物质做为碳源来代替日益枯竭的化石燃料,是未来全国乃至全球发展的方向。由于生物质价格低廉、来源广泛，所以采用生物质作为多孔碳材料的原料未来多孔碳材料领域中的重要组成部分。

生物质被认为是一种优良的碳材料前驱体，目前已经有利用生物质制备碳材料的报道。由于生物质中不仅含有可制备活性炭的碳源，而且存在着天然的组织结构，这些结构可被转化为多级孔道结构。因此，生物质材料能够成为制备多级孔道活性炭的原料。但是，在目前的研究中，大多数研究只关注于破坏生物质的结构来获取多孔碳，导致生物质本身的结构并未得到充分的利用。和人工的模板和前驱体相比，生物质原料更加的环境友好。本研究能制备出性能更优异的活性炭，将为制备具有升级成本优势的高性能超级电容材料，实现生物质的高值化应用提供新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自模板法生物质基多孔碳材料及其制备方法。为了能够充分利用生物质本身的结构特点，本发明直接利用纤维类的生物质原料，通过两步活化碳化的方法，制备多孔碳材料，并将制备的多孔碳用做超级电容的电极材料，实现生物质材料的高值化应用。

本发明采用的技术方案如下：

一种自模板生物质基多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纤维类生物质洗涤、干燥并破碎；

(2)将破碎过的生物质原料先低温碳化，然后加入固体活化剂，再加水浸泡活化处理后取出干燥；

(3)将干燥后的产物在惰性气体氛围下高温碳化，将碳化后的产物用酸洗涤，再用水洗涤，直到中性，将洗涤后的产物干燥，得到生物质基多孔碳材料。

步骤(1)所述生物质原料先洗涤，再进行晾干或干燥处理，干燥的温度为50～80℃，也可以自然晾干。所述的破碎可以是用剪切法或粉碎机粉碎成大块。

所述的生物质为甘蔗渣、白千层或灵芝药渣。

步骤(2)所述的低温碳化的条件是碳化温度为200℃～500℃，处理时间为1～3小时，低温碳化的升温速率为1～10℃/min。

所述的活化剂为NaOH、KOH、ZnCl₂和H₃PO₄中的一种或两种以上。

所述活化剂和生物质的质量比为0.25～4。

所述活化处理时间为5～12h。

步骤(2)活化处理的方法是将低温预碳化的原料中加入活化剂，再加水，搅拌使其混合均匀，浸泡6～12h；干燥的温度为80～100℃，时间为6～20h。

所述高温碳化的条件是先升温至300～400℃碳化0.5～2h，再升温至650～850℃碳化1～3h，所述前后两次升温速率均为3～10℃/min，所述惰性气体为氮气或氩气，气体流速为0.5～1L/min。

步骤(2)干燥的温度为80～100℃，时间为6～20h；步骤(3)所述最终产物的干燥条件为50～100℃下干燥3～12h。

步骤(3)所述的洗涤方法为，先用1～5M的盐酸洗涤3～5次，再用水洗，直到中性。

上述方法制备的生物质基多孔碳材料，其比表面积为：1000～3000m²/g。

所述的生物质基多孔碳材料用于制备超级电容器的电极材料或用于吸附或催化。

本发明相对于现有的技术，有以下优点：

(1)本发明以天然的生物质为原料，价格便宜，量大，是制备生物质基碳材料的理想前驱体。

(2)本发明加入活化剂的方式不同，具体是先将样品和活化剂按一定比例称量好，然后加水浸泡。利用加水过程中放出大量的热，大大提高了活化剂的活化效率。

(3)本发明通过两步碳化法，先低温碳化，固定生物质本身的结构，再通过一步高温碳化法制备多孔碳材料，有效地利用了生物质本身的结构，制备具有多级孔道结构的活性炭，而且实现了生物质资源的高值化利用。

(4)处理过程简单，仅需加入少量的活化剂就能得到高比表面积的多孔碳材料，大大减少了活化剂对设备的腐蚀，有利于大规模生产。本发明所制备的玉米芯基多孔碳材料性能优异，应用广泛，多孔碳材料能够用作超级电容器的电极，容量大，稳定性好。

附图说明