[发明专利]一种高氮生物炭复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提出了一种高氮生物炭复合材料及其制备方法和用途，制备方法包括以下步骤：以高氮生物质为碳源和氮源，将其与酸进行混合洗涤调制；将上述所获的固体产物置于热解设备，并将含碳气体通入热解设备使固体产物在富碳气氛下进行热解，从室温开始加热设备至预设温度，处理一段时间后冷却至室温，实现高氮生物质一步炭化与活化，制得氮自掺杂活性生物炭；在氮自掺杂活性生物炭上进行金属氧化物包覆获得高氮生物炭复合材料。该利用非惰性气氛含碳气体实现高氮生物质一步炭化与活化，并通过包覆过渡金属氧化物提升炭电极能量密度，实现生物炭结构原位氮自掺杂与功能化，该高氮生物炭复合材料可用于制备超级电容器或离子电池的电极。

技术领域

本发明涉及有机固体废弃物高值化利用的技术领域，具体涉及一种利用高含氮的生物质在富碳气氛与液相体系下制备具有多级孔道的过渡金属氧化物包覆的功能型生物炭复合材料，而后在超级电容器等储能领域的应用。

背景技术

生物质是唯一一种CO₂净零排放的可再生资源。通过热解可将生物质转化为气、液、固三态产物，是一种简易的生物质高值利用技术。生物质种类繁多，其中一类生物质本身具有较高的氮含量，如豆饼渣、豆腐渣、虾壳、蟹壳、藻类等。以豆饼渣为例，豆饼渣是大豆压榨提取大豆油后所得副产品，是一种粗蛋白含量高的原料，粗蛋白含量可达46%以上，常被用作畜禽蛋白饲料。然而，豆饼渣中含有较多抗营养因子和抗原物质，会对畜禽生长带来一定危害，其已被确认为诱导畜禽消化道疾病发病的关键因素之一，因此限制了豆饼渣在饲料领域中的应用，使其更多成为有机固体废弃物。豆饼渣作为生物质的一种，可通过前述热解技术，将其简易方便地转化为具有较高比表面积、较发达孔隙结构的多孔生物炭；且由于高含粗蛋白，豆饼渣是一种天然高含氮原料，氮含量通常可达8wt.%以上，热解后氮会以新的形式部分保留在生物炭结构中，形成氮自掺杂生物炭，为后续高值利用奠定基础。然而传统热解过程中，多采用氮气、氩气等惰性气体作为载气，生成炭的过程中氮损失高，同时炭的理化性质较差，难以高值利用，需进一步活化制备活性生物炭。同时，受大豆特有组分影响，豆饼渣在热解中，易发生结块交联，硬度大幅增加，给炭的后续利用带来困难；而对于虾壳、蟹壳此类高氮生物质，其本身还含有较多的碳酸钙等无机矿物质，同样对后续高品质碳材料的制备带来影响。

常规活性生物炭制备方法通常采用物理活化或化学活化法，如物理活化通过将原料热解炭化后所得生物炭经进一步高温（通常≥800℃）水蒸气或二氧化碳活化进行扩孔；化学活化多采用高比例（如活化剂与生物炭质量比≥1）、高腐蚀性（如KOH、ZnCl₂）的化学试剂对生物炭进行活化。也即目前活性生物炭多采用两步法（先热解炭化制备生物炭再进行下一步活化工艺）生产制造，工序繁多，且面临物理活化下操作温度高、炭的孔隙欠发达；化学活化下，化学试剂消耗过量、对设备造成严重腐蚀等问题。