[发明专利]一种用于制备电容器或电池的多孔炭材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种用于制备电容器或电池的多孔炭材料及其制备方法和用途，所述用于制备电容器或电池的多孔炭材料为二维多孔炭，比表面积大于等于2500m²/g，孔体积大于等于1.6cm³/g，由三角梅叶状苞片制备得到。本发明所述多孔炭材料作为超级电容器、锌离子电容器、钠离子电池、锌离子电池材料具有优异的性能。

技术领域

本发明涉及一种多孔炭材料，尤其是一种用于制备电容器或电池的多孔炭材料及其制备方法和用途。

背景技术

多孔炭主要是指通过一定化学活化或物理活化方法制备的具有发达孔隙、超高比表面积的炭材料。多孔炭因其导电性较好、化学性质稳定、比表面积大、原料来源丰富及成本低廉等特点，是应用最早和最广泛的吸附材料和超级电容器电极材料。

可以用于制备多孔炭的原料十分广泛，总体上可以分为化石原料和生物质原料。化石原料主要包括沥青、焦油、煤等。生物质原料主要包括农作物废弃物(秸秆、玉米芯、稻壳等)、果壳、树叶、木材等。随着石化资源日益减少和绿色环保意识的增强，以生物质制备多孔炭材料的研究已经成为一个热门研究方向。生物质原料具有来源广泛，可无限再生，且通常是一些废弃物等特点。以其为原料制备多孔炭，不仅有利于保护环境，也会带来额外的经济效益。但生物质多孔炭材料的结构和性能不仅受所采用的炭化和活化工艺的影响，还受所选生物质原料的天然结构影响。

三角梅作为一种观赏性植物，在中国南方种植面积非常大，但其凋落后也给环卫工人造成了很大的负担，目前尚无有效的回收利用途径。

通常来说，以生物质为原料制备多孔炭，首先需要在惰性气氛保护下，在600-900℃对其进行炭化，降温后再与活化剂混合，再升到高温800-1200℃进行活化处理，不仅步骤多、工艺流程长，而且能耗也较高。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种制备电容器或电池的多孔炭材料及其制备方法和用途。

本发明中的三角梅叶状苞片是指全部三角梅花，包括花朵和包围花朵的苞片，由于三角梅的花很小,苞片呈叶状,三枚苞片就像三个卫兵守护着小花，在本发明中三角梅花和苞片统称叶状苞片。

三角梅花结构纤薄，内部具有天然孔道，用于制备多孔炭材料时可以提高活化剂与原料的接触面积，并且从二维原料的两面同时进行刻蚀，因此可以提高活化效果，提高多孔炭的孔隙率以及电容器和电池的储能性能。

本发明中，预炭化处理三角梅花，作用在于去除表面的蜡质以及易挥发性组分。其中，有效去除表面蜡质是增强活化剂与原料的润湿性，提高刻蚀效果的关键。生物质表面的蜡质通常可以使用氧化性化学试剂如NaClO₂等去除，但去除效果不好，工序复杂，成本高，而且可能会造成环境污染。

本发明中制备多孔炭材料，将预炭化、活化剂处理和高温活化相结合。之所以先在200-350℃空气中进行预炭化，是为了避免了通常采用的惰性气体保护下的预炭化过程，低温空气中预炭化操作简便，能耗低。采用200-350℃温度范围进行预炭化，是为了既保证具有很好的除腊脱水效果，又避免过度氧化造成生物质的大量损失，从而可以提高产率。活化剂浸泡预炭化的产物，使活化剂与预炭化的产物充分结合并相互作用，最后再在550～850℃保温1～4h，充分发挥活化剂对预炭化产物的氧化刻蚀作用，达到提高孔隙率和比表面积的效果。不同的活化剂对生物质的最佳活化温度不同，本发明中活化剂为氢氧化钾,磷酸，氯化锌，碳酸钾，氢氧化钠中任意一种，其合适的最佳活化温度为550～850℃，如果活化温度高于850℃，产物的石墨化趋势会增强，致使多孔炭发生较严重的收缩，从而不利于造孔和扩孔。

本发明中将所得产物用酸性溶液浸泡，目的是去除残余的活化剂，然后过滤，清洗以获得可直接用于制备电容器的多孔炭材料。

具体方案如下：