[发明专利]一种基于秸秆水热炭化的氮掺杂多孔炭制备及应用方法

说明书

本发明提供一种基于秸秆水热炭化的氮掺杂多孔炭制备及应用方法。本发明制备方法：1、将生物质原料水稻秸秆经粉碎处理后筛分，然后在105℃鼓风干燥箱中干燥12h；2、将粉碎后的水稻秸秆进行水热处理，待反应结束自然冷却至室温后抽滤，用无水乙醇及超纯水洗涤去除杂质，烘干后得棕黑色秸秆水热炭；3、将所述秸秆水热炭、活化剂和三聚氰胺按一定质量比例混合后在研钵中充分研磨；4、将研磨后得到混合物置于管式炉中，在惰性气体氛围中进行高温活化，待自然冷却至室温后，将所得到的材料经酸洗、水洗、烘干，即得超级电容器用氮掺杂秸秆水热炭基多孔炭。本发明用方法，包括以下步骤：A、工作电极制备方法；B、超级电容器制备方法。

技术领域

本发明涉及生物质炭材料的制备及超级电容器和电池等新能源储能器件技术应用领域，具体涉及一种基于秸秆水热炭化的氮掺杂多孔炭制备及应用方法。

背景技术

超级电容器(Supercapacitor，SC)作为强大和先进的储能系统之一，具有功率密度高、充放电速率快、循环寿命长、电流效率高、工作温度范围宽、环保以及安全性能高等优点，弥补了电池与传统电容器之间的储能缺口，已广泛应用于电动汽车、通讯设备、便携式设备、固定式储能等领域。SC主要由集流体、电极、电解质和隔膜组成，其中电极作为其中的重要组成部分之一，对SC的电化学性能起着关键作用，因此开发高性能电极材料对超级电容器的实际应用至关重要。

根据电极材料储能机理差异，超电容可分为双电层电容器和赝电容器。赝电容器通过氧化还原反应存储电荷，而双电层电容器通过静电吸附的原理形成双电层实现能量存储功能，具有更好的稳定性和更长的循环寿命，目前80％以上的商业超电容器为双电层电容器。多孔炭(Porous Carbons,PCs)具有比表面积大、电导率高、稳定性好等优点，是理想的双电层电容器电极材料，已成为科研人员关注的热点。虽然多孔炭有诸多优点，但低功率密度仍然在一定程度上限制了其应用，而氮原子的引入能有效改善其电化学性能。

目前的研究广泛采用高温预炭化和物理/化学活化联用的方法由富碳前驱体(焦炭、煤和生物质等)制备多孔炭。相较于石油基原料，生物质来源广、体量大、污染小、可再生、低成本，是更理想的多孔炭前驱体。近年来，研究人员已由不同类型生物质制备了具有良好电化学性能的多孔炭，但低产率以及结构不规则等特点极大地影响了其性能和应用，亟需开发新一代生物质基多孔炭前驱体。水热炭作为一种新型生物质基材料，具有受控的形态、均匀的结构和稳定的化学性能，其丰富的含氧官能团有助于增强活化剂活性从而提高多孔炭孔隙率，是理想的多孔炭前驱体。此外，水热炭的制备方法(水热法)绿色环保、成本低廉、条件温和(180～300℃)，这对于大规模工业化生产具有重大意义。

中国专利CN 109003828 A公开了一种利用小麦秸秆制备生物质多孔炭电极材料的方法，它将小麦秸秆、柠檬酸和磷酸二氢钠按照一定比例混合，混合物经冷冻干燥后在管式炉中高温预炭化(750-850℃)，再将炭化产物和氢氧化钾按照一定比例混合后高温活化，最后洗涤烘干获得生物质多孔炭材料。制得的多孔炭比表面积达1794m2/g，在1A/g电流密度下比电容为294F/g。该方法实现了小麦秸秆的高值化利用，避免了焚烧处理带来的生物资源浪费及空气污染，制得的多孔炭也表现出优异的储能特性。但是此方法预炭化温度较高，能耗较大，同时还需使用柠檬酸等化学试剂，此外活化过程使用强碱活化剂，不利于实际生产。

中国专利CN 108010747 A公开了一种超级电容器用氮硫双掺杂活性炭的制备方法，它以果壳类生物质为原料，硫酸-尿素溶液作为掺杂剂，将原料与掺杂剂浸渍烘干后经250℃预氧化和600℃预炭化后得到炭化产物。然后将炭化产物与氢氧化钾混合高温活化后经酸洗、烘干制得氮硫双掺杂活性炭。该方法制备多孔炭前驱体的过程较为繁琐，预炭化温度较高，活化过程同样使用强碱活化剂，限制其规模化生产。