[发明专利]二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法

说明书

二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法。本发明涉及电化学储能材料领域，特别是一种铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法。本发明是为了解决现有贵金属资源匮乏造成的能源危机，生物质废弃得不到有效利用的问题。以二氧化碳作为催化剂制备高孔隙生物质碳，并且以其为基体快速合成具有多维分级结构的铁基聚阴离子复合材料。

技术领域

本发明涉及电化学储能材料领域，特别是一种铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法。

背景技术

能源与环境的可持续发展是目前世界所面临的首要问题之一。随着移动通讯、电动车、航空航天、可再生能源利用(如太阳能和风能)等领域的快速发展，对高性能的能量储存与转换装置的需求急速增长，极大地推动了该领域的研究和开发。高性能电极材料的发展是制约储能设备(如电池、电容器等)性能提高的主要因素。开发设计价廉、安全、环境友好、比能量高的电化学材料，是推动储能设备发展的关键，也是目前研究的重点。在现有的电极材料中，聚阴离子型化合物是一类重要的正极材料。它以聚阴离子基团(XOn)为核心结构，具有稳定的三维框架结构，良好的稳定性和安全性，是电化学储能领域重点研究对象之一。在聚阴离子材料中，铁基聚阴离子材料具有价格低廉的优势，成为目前的研究热点。但是，较低的电子导电性影响了铁基聚阴离子材料的性能。传统的碳掺杂改性方法虽然可以提高材料的导电性，但是常用的化学合成碳源(如石墨烯(Graphene)、碳纳米管(CNT)、活性炭(AC))等，需要大量对环境有污染的强氧化剂(如浓硫酸、高锰酸钾等)和化学试剂才可以合成。因此，寻找绿色、环保、低成本的新型合成方式及改性方法势在必行。生物质由丰富的羧基、羟基等极性基团构成，其内部具有大量的通气(水) 孔道，可以通过适当的处理技术制备多孔结构碳源。而且，以废弃生物质为基体制备多孔碳不仅使废弃资源再次利用，还有利于环境的保护。但是，目前的处理技术不能够充分利用生物质的结构，所制备的生物质碳孔隙率低，使复合材料的性能受到影响。因而，需要研发更有效的制备方法，提高生物的利用效率，改善生物质碳的结构，从而提高复合材料的性能。

发明内容

本发明是为了解决现有贵金属资源匮乏造成的能源危机，生物质废弃得不到有效利用的问题，而提供了二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法。

二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法具体是按以下步骤进行的：

一、将生物质依次进行表面清理、酸处理和活化处理，采用蒸馏水洗涤至中性，在温度为60℃～80℃的条件下进行干燥，得到活化后产物；

二、将活化后产物置于真空密闭容器中，然后向真空密闭容器中充入二氧化碳气体，抽真空，再次充入二氧化碳气体，重复操作三次，然后在二氧化碳气氛下保存24h，得到处理后的材料；

三、将处理过的材料在惰性气体保护下进行碳化处理，得到高孔隙生物质碳；

四、依照待复合铁基材料的化学式，按各种元素比例称取对应的制备材料，并称取相应量的氧化剂和还原剂；将称取的制备材料、氧化剂和还原剂溶解于水，加入步骤三得到的高孔隙生物质碳，在温度为80～100℃的条件下蒸干，得到前驱体粉末；所述待复合铁基材料中铁元素与氧化剂的摩尔比为1:(0.5～2)；所述氧化剂和还原剂的摩尔比为1:1；

五、将前驱体粉末放入高温炉中在温度为600～800℃的条件下煅烧3min～5min，得到具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料。

本发明制备的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料用于储能领域，如化学电源(包括锂离子电池、钠离子电池)、超级电容器等。

本发明的有益效果：