[发明专利]一种基于核桃壳的高电容性能的分级多孔炭的制备方法

说明书

本发明涉及电化学储能材料领域，具体为一种基于核桃壳的高电容性能的分级多孔炭的制备方法。该方法直接以原料丰富、价格低廉的生物质核桃壳为原料，以稀盐酸为反应介质，采用微波处理数分钟即得到部分纤维结构扩张的前驱体产物；经过洗涤干燥处理后，以KOH浸泡处理后，再高温700‑900℃碳化处理1‑2h，即得到碳化物，再依次稀酸洗涤、水洗、干燥处理后，便可得到孔结构丰富的分级多孔炭材料。最后，将所制备的多孔炭材料用作超级电容器电极材料。本发明不仅提供了一种绿色、环保、低成本、快捷地制备分级多孔炭材料的方法，该方法具有很好的普适性，大大提高低附加值的生物质材料的经济价值，也为超级电容器提供一种高性能的电极材料。

技术领域

本发明涉及电化学储能材料合成技术领域，具体为一种基于核桃壳的高电容性能的分级多孔炭的制备方法。

背景技术

活性炭具有高的比表面积、较好的导电性、原料来源广泛等优点而被广泛的用于水处理、食品工业脱色、贵金属的回收、催化领域，近年来在超级电容器和锂离子电池等新型储能器件中的应用也日益突出。分级多孔的活性炭（HPAC）不仅孔结构丰富而且不同孔径的孔结构分布合理，孔道相互连通，有利于电解液的渗透和离子的快速传输，在新型储能器件超级电容器中有着巨大的潜在应用价值。目前制备HPAC的原料主要有聚合物碳源和生物质碳源。碳源中造孔方法有以无机物为模板（如金属氧化物、二氧化硅）的聚合物碳源、聚合物模板以及以金属有机骨架自身为模板。碳材料中的多孔结构一般通过物理活化法、化学活化法和模板法实现。为了获得精确的孔结构和孔径分布范围通常采用模板法。模板法一般分为硬模板法和软模板法。硬模板法主要是指采用硬模板剂与前驱体均匀混合或将碳前驱体浸渍到模板中，前驱体在模板中高温碳化，再将模板去除而形成孔道的方法。软模板法主要以一种高温下在惰性气氛中能自行完全分解的有机物为模板，与碳前驱体均匀结合后，在高温处理后含碳前驱体碳化得到多孔炭材料，软模板剂自身分解掉而形成了孔道。如Meng等人以聚醚F127为软模板剂，以酚醛树脂低聚物为碳源制备有序介孔碳材料。这些制备方法相对复杂，且价格高，限制了分级多孔炭材料在储能器件中的大规模应用。相对于模板支撑的聚合物前驱体，天然产物或者生物质材料基本都是可再生的资源，且具有价格低廉，环境友好的优点，并且由于其自身具有特征的网络结构，只需进行适当活化处理，生物质很容易就转化成具有丰富孔结构多孔材料，因此以生物质为碳源的分级多孔炭材料表现出更良好的应用前景。

目前已经报道可制备成多孔炭材料的生物质有香蕉皮、蔗渣、葵瓜籽壳、竹子、麦秆以及油茶壳等。核桃以其丰富的营养价值，每年的消耗量巨大，我国核桃栽培面积居世界第一，据统计自2008年开始每年核桃的产量都高于80万吨，且每年呈递增趋势。核桃壳占整个核桃的比重约30%，可见每年的核桃壳产量约24万吨，而这些核桃壳通常作为废物被丢弃或者焚烧。实际上，核桃壳灰分含量0.66%，水分9.59%，苯醇抽出物3.71%，木质素38.05%，纤维素含量为30.88%，半纤维素27.66%，可见将其废弃或者焚烧，造成了极大的资源浪费。如果将其进行深加工，提高其附加值不仅可以有效处理固体废弃物，而且可以变废为宝，提高其综合利用价值。以来源广泛的核桃壳为碳源，开发一种温和的无模板法制备得到分级多孔活性炭HPAC，将其用作超级电容器电极材料，不仅能提高核桃壳利用价值，同时也为超级电容器提供了一种可供选择的高性能的电极材料，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明基于以上技术问题，提供一种基于核桃壳的高电容性能的分级多孔炭的制备方法。该方法绿色、环保、低成本、制备快捷，具有很好的普适性，可大大提高低附加值的生物质材料的经济价值，也为超级电容器提供一种高性能的电极材料。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于核桃壳的高电容性能的分级多孔炭的制备方法，其包括以下步骤：

（1）原料粉碎 将核桃壳浸泡在蒸馏水中去除表面杂质，然后置于60℃的烘箱中烘干至恒重，然后，用粉碎机粉碎，得到粉末状核桃壳粉，过60目筛，得到核桃壳粉（粒径约为200μm）。