[发明专利]一种炭化氨基酸改性木质素及其制备方法

说明书

本发明属于新材料领域，具体涉及一种炭化氨基酸改性木质素及其制备方法。本发明通过将工业木质素提纯后与醛、氨基酸之间发生曼尼希反应，将氮、硫元素同时掺杂到木质素中，再经过高温活化后得到符合绿色化学原则的炭化氨基酸改性木质素。通过两步活化法将其制成多孔炭材料，运用电化学工作站考察炭化氨基酸改性木质素作为超级电容器的电化学性能。根据常用的电化学性能研究方法，制备出比表面积高的层状多孔炭，将其制成超级电容器时，具备高比热容，循环性能稳定无衰减，使用的方法在制备超级电容器用多孔炭材料方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种炭化氨基酸改性木质素及其制备方法。

背景技术

在现代工业生产中，会使用到各式各样的能源以维持生产生活。然而由于化石能源的紧缺，新型能源的开发成为一个迫切的需求。绿色、环保、有效的储能装置的开发成为必要。超级电容器具有能量密度高、充放电速度快、循环寿命长的特点，而木质素作为地球上含量第二丰富的天然高分子聚合物，来源广泛，资源含量丰富，获取成本低，它与超级电容器的结合引起了研究人员的广泛以及密切关注。相关文献表明，杂原子掺杂的木质素电容器具有良好的电化学性能，能有效提高电极材料作为电容器的法拉第电容。

作为一种重要的生物质，木质素超级电容器得到了研究者们的广泛关注。木质素碳含量比较高，其具有的酚羟基结构可以发生化学改性成为苯醌基团，二者之间发生可逆转换提供赝电容，同时一定程度上促进导电粒子诸如电子、离子的传递，碳材料通过为电荷存储提供表面吸附位置发挥作用。通过降低多孔炭的成本，提高其能量密度，木质素炭材料能有效地用作电极材料。Dipendu Saha等人以预交联木质素凝胶为原料，表面活性剂为造孔剂合成了中孔碳，使用物理化学方法对其进行活化后得到活化中孔碳，结果表明活化后孔隙率提高了1.5-6倍，制成的电极循环伏安曲线呈现为近似矩形的曲线，表现出理想双层电容的行为。Hui Li等人采用一种合成方法研制出一种大规模三维连通的层状多孔炭质整体柱，它微结构理想且具有高导电率，在高质量负载的情况下有优良的面积/体积电容，循环性能优异。Zhewei Yang等人通过调节多孔结构和石墨化程度，采用冷冻干燥和活化相结合的方法制备木质素基多孔炭，并将得到的产物作为锂离子电容器的电极材料，结果显示该材料电化学性能优良，在催化剂辅助下合成的石墨碳还具备高的平台容量和能量密度。Jeong Hee Park等人通过开环聚合反应合成了交联木质素水凝胶电解质，这一材料机械稳定性好，离子电导率高。将其与电纺木质素/聚丙烯腈纳米纤维电极相结合，制备了全木质素基柔性超级电容器。这一器件电容高，10000次循环后的电容保持率高达95％，在不同弯曲角度下具有良好的柔韧性和耐久性。

总结近年来木质素基超级电容器的最新进展，可以看出将金属氧化物或导电聚合物与木质素相结合，制备出高性能的储能材料成为了新的研究热点。产业结构的转型，推动超级电容器研究领域也在积极朝着绿色化、可携带、无毒性等方向发展，储能体系变得多元化，各式各样的改性方法也逐渐多元。Fangyan Liu等人以造纸黑液副产物硫酸盐木质素为原料，采用直接热解法制备了氧-氮-硫共掺杂的多层多孔炭材料，以此为原料制作出来的超级电容器比电容高、循环稳定性好。还比如，Jingqi Yang等人首次以植物蛋白和木质素为原料，在醋酸水溶液中合成了可用于超级电容器的自立式掺氮碳纤维网络，考察了蛋白质-木质素比例对碳纤维形态和电化学性能的影响。结果表明这一材料比电容可达410F/g，经过3000次充放电后容量保持率为95％，具有作为新型高效储能装置的潜力。

对于炭材料来说，孔面积、孔直径、材料结构、元素种类、比表面积对它电容性能都有重要影响。研究者们做了大量工作在比表面积提高、孔结构优化、赝电容引入等方面，以此提高炭材料的电容性能。由于木质素中官能团的复杂程度以及结构的难以确定，使得对其的优化有一定困难。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题，提供了一种炭化氨基酸改性木质素及其制备方法。通过碱木质素、醛与氨基酸之间发生曼尼希反应，将氮、硫元素同时掺杂到木质素中，通过两步高温活化法将其制成多孔炭材料，得到符合绿色化学原则的炭化氨基酸改性木质素。