[发明专利]一种均质玉米芯衍生炭电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的均质玉米芯衍生炭电极材料及其制备方法，该方法采用筛分预选和随后炭化活化，实现了玉米芯衍生炭颗粒的均质制备。具体制备工艺步骤如下：首先将生物质玉米芯粉碎，通过筛分获取具有不同粒径分布范围的玉米芯粉末颗粒，并高温炭化；然后采用活化剂将所得炭化料粉末颗粒高温活化；最后将活化后的产物酸洗、干燥，得到均质玉米芯衍生炭电极材料。本发明的均质玉米芯衍生炭电极材料用作超级电容器电极材料时，表现出高的比电容和倍率性能。本方法具有工艺简单，原材料丰富，环境友好，附加值较高等特点。

技术领域

本发明涉及一种生物质衍生炭电极材料及其制备方法，尤其涉及一种均质玉米芯衍生炭电极材料及其制备方法；属于新能源材料领域。

背景技术

随着化石能源的日益衰竭和环境污染的日趋严重，生物质衍生炭超级电容器电极材料，由于原材料来源广泛、成本低廉、可再生、无污染等特点受到广大科研工作者的青睐。

生物质玉米芯来源丰富、孔隙发达，将其制备为活性炭不仅减少了将其丢弃或直接燃烧带来的环境污染，同时还将其转变成了高性能的超级电容器电极材料，将玉米芯变废为宝，提升了其附加值，实现了资源有效利用。Qu等人(Bioresource Technology，2015，189：285-291)通过一步蒸汽活化玉米芯残余物获得高附加值的多孔炭，在5mV/s的扫描速率下，比电容达314 F/g，在100 mV/s的高扫描速率下，电容仍保留259 F/g。比电容保持率高达82％，具有优异的倍率性能。Li等人（Journal of Materials Chemistry A，2017，5：3875-3887）首先采用浓硫酸对玉米芯进行处理，随后与三聚氰胺混合在高温下碳化获得介孔炭，在1 A/g的电流密度下，比容量高达538 F/g。同样，该玉米芯衍生炭表现出优异的电化学性能。

尽管玉米芯衍生炭显现出良好的超级电容器电化学性能，不过在获得高性能玉米芯衍生多孔活性炭时，都对玉米芯进行了繁琐的预处理（如获得玉米芯残余物或酸处理）或改性（如加入三聚氰胺），因此寻找一种简单的生物质玉米芯电极材料的高效制备方法对生物质玉米芯电极材料的发展有重要意义科学和社会价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现存制备技术的不足，提供了一种简单、安全的均质玉米芯衍生炭电极材料制备方法。众所周知，玉米芯主要是由纤维素、半纤维素、木质素三种成分组成，而且这三种成分的微观结构是完全不一样的，因此为了获得均质活性炭的前提是采用成分较为均匀的玉米芯作为前驱体。通常采用化学法预处理来获得成分较为均匀的玉米芯前驱体，然后炭化活化得到性能较好的活性炭材料，并具有良好的一致性，不过该方法产生的废液会造成环境污染。另外，玉米芯中纤维素、半纤维素、木质素由于微观结构不同，所以它们的机械强度也不同，在粉碎的时候，不同成分部分会形成不同大小的颗粒。因此，本发明开发了一种简单的物理筛分法就可以很容易获得均质的玉米芯前驱体，进而克服了均质玉米芯前驱体难获取的这一缺陷。

该方法制备的玉米芯衍生炭电极材料用作超级电容器电极材料时，由于微结构均匀一致，表现出优异的电化学性能。本方法具有设备工艺简单，生产成本低廉，环境友好，可规模化生产等特点。具体制备方法如下：

步骤一，将收集的生物质玉米芯清洗、干燥、粉碎，采用不同目数的筛子筛分获取具有不同粒径分布范围的玉米芯粉末颗粒；

步骤二，将筛分后的生物质玉米芯颗粒放入管式炉，在氮气气氛中高温碳化，得到炭化料；

步骤三，将炭化料与活化剂按不同的质量比混合，充分研磨，在氮气气氛中高温活化，得到活化产物；

步骤四，将所得活化产物采用不同的酸溶液浸泡，随后用去离子水和酒精交替清洗，最后在50～150℃干燥箱中干燥，得到均质玉米芯衍生炭电极材料。

所得均质玉米芯衍生炭电极材料微观结构均匀，尤其是孔分布状态，活性炭颗粒粒径大小分布均匀。