[发明专利]一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料及其制备与应用。属于木材储能技术领域。本发明在碳化木材孔道内部先填充聚丙烯腈聚合物材料，然后在CO₂气氛下高温碳化聚丙烯腈的同时兼顾完成碳化木材的物理活化，在实现对碳化木材孔道结构高效利用的同时，也有效的提升了碳化木材的比表面积，制备出了聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料，并展现出优异的超级电容器性能。

技术领域

本发明涉及木材储能技术领域，更具体的说是涉及一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料及其制备与应用。

背景技术

随着新能源技术和移动设备的广泛使用，人们对先进储能技术和储能设备的需求与要求不断提升。在众多储能设备中，超级电容器因其具有较高的功率密度、快速的充放电能力、超长的循环稳定性等优势，成为储能领域的研究热点。超级电容器的性能与电极材料自身的性能密切相关，如电极材料的导电性、比表面积、化学稳定性等。目前碳基材料是使用最为广泛的超级电容器电极材料。

人工合成的碳基材料一般较为昂贵，合成过程不仅复杂、合成过程中所使用的药品往往有毒有害、对环境有着较大的污染，在实际应用方面受到了严重制约。因此，寻找价格低廉，且不需要复杂合成过程，在自然界广泛分布的碳前驱体材料，对于超级电容器的发展与实际应用具有十分重要的意义。

木材作为一种重要的可再生资源，具有成本低廉、来源广泛、储量丰富、绿色、环保、可持续性等优势，已成为碳电极材料潜在的重要来源。木材具有各向异性的多孔道结构，木材碳化后这些孔道结构能够很好的保留下来，这种孔道结构不仅具有较大的比表面积，也非常有利于电解液的快速渗透，这有助于电荷的快速存储与释放。此外，这些孔道也是结构良好的骨架，利用物理或化学的方法可以在这些孔道内部填充高分子聚合物和金属氧化物等材料，这给碳化木材性能的提升和功能化提供了广阔的发展空间。有效提升碳化木材的比表面积对于提高木质基衍生碳电极的超级电容器性能也有着很大的帮助，通常所采用的方法是对碳化木材进行物理和化学方法的活化，在孔道内壁形成更多的微孔和介孔，以此来提高碳化木材的比表面积，这显然没有充分利用到碳化木材孔道的骨架结构。

基于以上，为了在充分利用碳化木材孔道骨架结构的同时，兼顾提高碳化木材的比表面积和导电性能，本发明在碳化木材孔道内部先填充聚丙烯腈聚合物材料，然后在CO₂气氛下高温碳化聚丙烯腈的同时兼顾完成碳化木材的物理活化，在实现对碳化木材孔道结构高效利用的同时，也有效的提升了碳化木材的比表面积和导电性能，制备出了聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料，并展现出优异的超级电容器性能。目前对于以这种方式来提高木质基衍生碳电极材料的超级电容器性能还未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料及其制备与应用。具有成本低廉、制备工艺简单、来源广泛、绿色、环保、可持续性等优势，在实现对碳化木材孔道结构高效利用的同时，也显著提高了碳化木材的比表面积和导电性能，提升了木质基衍生碳电极材料的储能性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料，由碳化木片和碳化的聚丙烯腈组成，其中碳化的聚丙烯腈呈多孔片状结构填充于碳化木片的孔道内部。

进一步的，聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料的比表面积可达668.9m² g^-1,在电流密度为2mA cm^-2时，面积比容量高达4612.2mF cm^-2，即使当电流密度增加到100mA cm^-2，其面积比容量仍能达到3431.5mF cm^-2。

一种聚丙烯腈/木质基衍生碳多孔材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将木片依次用去离子水和无水乙醇进行清洗，干燥后得预处理木片；

木片材料可以为杨木、椴木、松木、杉木等木种；