[发明专利]一种蛋清衍生生物质炭负载银纳米颗粒电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种蛋清衍生生物质炭负载银纳米颗粒电极材料及其制备方法，其特点是，利用蛋清中蛋白质带负电荷官能团的特性，选择其作为生物质碳源，与带正电荷金属银离子发生蛋白质变性反应，利用生物质本身的原子、电荷分布均匀性，在不使用其它化学试剂前提下，经一步高温热处理反应，制备了多杂原子掺杂生物质炭负载银纳米颗粒电极材料，所得材料具有稳定的超大片状结构，且具有优异的电化学性能。本方法具有科学合理、安全易行、方法简单、成本低，产品形貌、结构可控等优点，适用于生物质炭负载银纳米颗粒电极材料的批量生产，亦可扩展用于生物质炭负载其它金属单质电极材料的可控和宏量制备。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及超级电容器的电极材料制备，是一种蛋清衍生生物质炭负载银纳米颗粒电极材料及其制备方法。

背景技术

随着全球不可再生能源的日益消耗，以及使用化石能源所带来的环境污染问题日趋恶化，人们迫切需要开发和利用可再生清洁能源，发展新型储能装置及技术，以实现能源的低碳、可持续发展，进而满足人类社会进步和经济发展的需求。超级电容器作为一种新型的电化学储能装置，因其具有高功率密度、快速充/放电速率、超长循环使用寿命、高使用安全性和较宽的应用温度范围等优点，而备受研究者的关注。但是，由于超级电容器储能过程通常只发生在电极材料表面，导致其能量密度较低，极大地限制了其作为储能装置的进一步发展和应用。

电极材料作为超级电容器的重要组成部分，是影响其性能的决定性因素之一，因此，在保持装置高功率密度的前提下，科研工作者多通过调控电极材料组成和结构以提高超级电容器的电化学储能性能。碳材料作为一类主要的超级电容器电极材料，通常具有较高的倍率性能和循环稳定性，但受其储能机制的限制(双电层储能机制)，其比电容较低，从而导致基于碳材料电极构筑的储能装置能量密度较低。S.Sankar等以绿茶根作为碳源制备生物质炭材料，并将其用于超级电容器电极材料。电化学测试结果表明，在0.5A·g^-1电流密度下，所得生物质炭材料的比电容为162F·g^-1；5000次恒流充放电循环后，其比电容保持率为121％。此研究虽然成功制备了生物质衍生炭材料，但是材料的比电容较低，仍不能满足储能装置的应用要求(S.Sankar,Abu Talha Aqueel Ahmed,Akbar I.Inamdar,HyunsikIm,Young Bin Im,Youngmin Lee,Deuk Young Kim,Sejoon Lee.Biomass-derivedultrathin mesoporous graphitic carbon nanoflakes as stable electrode materialfor high-performance supercapacitors,Materials and Design,2019,169,107688)。

由上述分析可知，碳材料作为超级电容器电极材料虽然具有较高的循环稳定性，但其提供的双电层电容较低，导致其组装的储能装置具有较低的能量密度。本发明以生物质蛋清作为碳源制备生物质炭材料，一方面充分利用生物质炭中多杂原子掺杂特性，改善电极材料的结构，增加晶格缺陷，从而提高材料的化学稳定性、导电性和电子供给能力，并在储能过程中提供法拉第赝电容；另一方面，利用蛋清中蛋白质带负电荷官能团特性，与带正电荷金属离子快速且均匀发生蛋白质变性反应，制备蛋清衍生生物质炭负载单质银纳米颗粒电极材料，有效降低材料以及储能器件的等效串联电阻，并诱导产物形成稳定超大片层结构，且负载的银纳米颗粒对电极材料整体结构起到支撑和稳固作用，从而可提高其在快速充放电过程中的结构稳定性和循环使用寿命。因此，本发明通过多杂原子掺杂以及高含量银纳米颗粒负载，调控电极材料的组成和结构，从而提高材料的比电容、倍率性能和循环稳定性，提高基于此电极材料构筑的超级电容器的功率密度和能量密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的缺点，提供一种科学合理、简单易行、成本低、产品组成和结构可控、适用于批量生产的蛋清衍生生物质炭负载银纳米颗粒电极材料及其制备方法。