[发明专利]一种含微孔-介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用

说明书

本发明公开了一种含微孔‑介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用。以马尾藻为原料，引入NH₃·H₂O对生物质进行预处理，打断纤维素/半纤维素/木质素之间的化学键，增强材料化学活性，同时脱除其中部分木质素，提高纤维素/半纤维素的占比，实现了“硬碳”的脱除，使得活化剂更高效地渗入碳纤维结构内，并依托木质素脱除后形成的缺陷强化孔隙刻蚀，从而促进三维立体多孔孔道的形成，显著提高了材料对大电流的响应能力。本发明利用海生生物质制备超级电容器电极材料，制备工艺简单，成本低，污染小，具有较高的质量比电容、优良的循环稳定性和倍率性能，是一种具有潜在应用价值的变废为宝的工艺，有利于实现大规模的工业合成。

技术领域

本发明属于储能材料与生物质固废再利用的能源化工技术领域，具体涉及含微孔-介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用。

背景技术

作为一种绿色的能源储存工具，超级电容器由于其具有较高的比电容量、优异的循环性能、较长的循环寿命和充放电速率，已越来越受到人们的重视。现如今，超级电容器已广泛应用到混合动力汽车、便携式电子设备、电力设备和医疗设备等领域。基于其电荷储能机制，超级电容器通常分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器通过在电极-电解质界面上高度可逆的电荷静电吸附来储存电能，而赝电容器则通过在电极表面上发生的氧化还原反应储存能量。通常而言，电极材料是影响超级电容器性能的重要因素之一，因此这也成为研究人员们所关注的重点，并激发人们不断地尝试合成新型的电极材料。

电极材料的孔隙率和电导率是影响超级电容器电化学性能的关键因素，他们分别对材料的电荷储存能力以及电化学阻抗产生重要的影响。与金属氧化物和导电聚合物相比，碳材料的成本较低，且具有良好的导电性、环境友好性和化学稳定性，因此碳材料被认为是最具前景的超级电容器电极材料。其主要包括活性炭，石墨烯和碳纳米管。在这些碳电极材料中，石墨烯和碳纳米管需要相对复杂且成本较高的制备工艺，不适用于大规模生产。而生物质基活性炭由于其较低的成本，可再生性强以及经济性好的优势，已逐渐成为最有潜力的电极材料。基于生物质制备而成的活性炭通常具有较高的比表面积和三维孔隙结构，这使得其具有作为超级电容器电极材料的潜力。

超级电容器电极材料的制备方法通常有物理活化法和化学活化法。物理活化法通常使用水蒸气或二氧化碳等气体在高温下与碳化物接触使其活化，这些氧化性气体与碳化物内部的碳原子发生反应，在初始孔隙的基础上开孔扩孔，形成发达的孔隙结构。化学活化法则是将化学活化剂与原材料混合，在惰性氛围下加热。常用的活化剂有无机盐类、碱金属、碱土金属的氢氧化物以及某些酸类。常用的化学活化法有KOH活化法、ZnCl₂活化法和H₃PO₄活化法，其中KOH活化法所制备的活性炭性能较为优异，并且活性炭的孔隙结构和比表面积易于调整控制。因此，以KOH作为活化剂制备活性炭的方法受到国内外众多研究者的青睐。

由于受到比表面积和活化工艺的影响，生物质碳基材料通常具有相对较低的石墨化程度，相对于其它材料而言其响应充放电电流的能力较差，因此近些年来，研究人员们将关注点更多地放在孔隙结构的定向合成上，以利用这些结构来实现性能上的强化和改善。

CN108335917A公开了一种有序排列还原氧化石墨烯的制备方法。该工艺将氧化石墨烯用离子液体进行表面改性，将改性后的氧化石墨烯与聚合物进行超声搅拌形成静电纺丝溶液，随后将溶液进行静电纺丝，经过热处理得到RGO镶嵌式垂直有序排列于碳纳米纤维表面的复合材料，其在1A g^-1的电流密度下具有232F g^-1的质量比电容。

CN106554011A公开了一种三维有序大孔-介孔石墨烯的制备方法，将有序堆积的有机高分子模板球浸入到陶瓷前驱体溶液中，经过一系列处理得到三维多孔陶瓷，用化学气相沉积法在陶瓷衬底上生长石墨烯，最后将陶瓷模板除去得到三维有序大孔-介孔石墨烯，其在1A g^-1的电流密度下具有325F g^-1的质量比电容。