[发明专利]一种生物质全组分热解制备高性能炭基电极材料的方法

说明书

本发明公开了一种生物质全组分热解制备高性能炭基电极材料的方法。该方法，包括以下步骤：(1)将新鲜的草本类生物质进行叶、茎分离，干燥后，粉碎过筛，分别得到叶样品和茎样品；(2)叶样品或茎样品为原料，放入热解炉内，在惰性气体保护下进行同步热解反应，之后冷却至室温，得到叶热解产物或茎热解产物；(3)将叶热解产物或茎热解产物分别经洗涤、干燥后研磨至粉状，即得两种不同用途的高性能炭基电极材料。本发明将草本类生物质进行叶、茎分离，分别热解，充分发挥草本类生物质自身的天然结构和元素分布特性实现热解过程中的自活化和自掺杂调控，进而得到不同电化学性能的炭基电极材料，并根据产物特性用于不同的领域。

技术领域

本发明涉及生物质高值化利用技术领域，尤其涉及一种生物质全组分热解制备高性能炭基电极材料的方法。

背景技术

碳元素广泛存在于自然界中，而碳原子能以不同的方式进行堆叠和聚集从而形成结构多样的炭材料，使得炭材料成为功能材料的首选。随着能源和环境问题的日益尖锐，利用炭材料为基础，开发的高效以及低污染的新型功能材料已经广泛应用于污水处理、土壤优化、气体吸附、催化和电化学储能等多个领域。

随着炭材料研究的不断发展，制备方法更简便，价格更便宜，性能更优异的炭电极材料逐渐成为电化学领域的研究热点。随着炭材料应用领域的扩展，不同的用途对炭材料的组成和结构、形貌都提出了不同的要求，例如，例如丰富的孔隙结构可以赋予炭材料更高的比表面积，从而可以改善炭材料的比电容性能，从而使得其在超级电容器领域展现出广阔的应用前景，而掺杂型炭材料因为杂原子的引入从而产生更多的缺陷结构和改变碳原子的电子云分布，进而改变炭材料在电催化氧还原反应过程中的电催化活性，因此，该类材料在空气阴极燃料电池领域具有更为广泛的应用。

生物质的主要组成元素是碳元素，是制备电极炭材料良好的碳源，具有来源广、价格便宜，是唯一可再生碳源等优点。利用生物质制备高效电极炭材料已经应用于不同领域，目前，为了获得一定比表面积的高效电极炭材料，在生物质原料的热解过程中，需要加入不同的活化剂，如ZnCl₂、KOH、K₂CO₃、H₃PO₄、NaOH等。例如中国专利CN 109081340 A利用松树基生物质为原料，经过NaOH、HNO₃等不同活化剂处理后，生物炭高表面积可并可用于钠离子负极材料或者双电层电容器材料；中国专利CN 110400939 A利用螺旋藻为原料，经过活化后与g-C₃N₄混合后二次热解，制备出高性能的生物质掺氮氧还原催化剂，可用于锌-空气电池和燃料电池等阴极材料。

一般来说生物质制备炭材料时，大部分需要活化剂调整孔结构大小和孔分布或其他化学试剂进行杂原子掺杂，但化学试剂的引入一方面会造成腐蚀设备，增加制备成本，不利于高性能生物炭材料的工业化生产，另一方面化学试剂的引入和脱除会增加工艺复杂度还会引起二次环境问题，再加上化学试剂的使用也会降低得炭率，影响底物转化效率。目前，现有的生物炭电极材料研究并没有最大限度的利用生物质原料特性优势，定向分化利用生物质制备高性能材料。因此，需要开发一种合成方法简单、污染少，并且高效转化生物质能源的全组分热解制备高性能炭基电极材料的方法。

发明内容

本发明提供了一种以草本类生物质为原料全组分热解制备高性能炭基电极材料方法，同步分别获得两种孔隙结构丰富的电容炭材料和杂原子掺杂的催化氧还原反应的电极炭材料。该方法满足了炭材料产业发展绿色环保，成本低廉，有利于工业化生产的需求。

本发明提出了一种生物质全组分热解制备性能炭基电极材料的方法，包括以下步骤：

(1)将新鲜的草本类生物质进行叶、茎分离，干燥后，粉碎过筛，分别得到叶样品和茎样品；