[发明专利]一种高淀粉含量生物基多孔活性炭及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高淀粉含量生物基多孔活性炭及其制备方法，采用KMnO₄热溶液发泡法制备高淀粉含量生物基多孔活性炭，分两步完成，首先以高锰酸钾热溶液为溶剂、高淀粉含量生物质为原料，在一定温度下，发泡，得到紫色糊状物；随后紫色糊状物在一定温度下保温活化，制得疏松网状结构生物基多孔活性炭。所制备出的活性炭结构蓬松，具有独特的微介大孔相互交联结构，比表面积大，活性位点多，电化学性质良好，在电流密度为0.5 A/g时，比电容值为352 F/g。本发明制备多孔活性炭，方法简单、环保、成本低，所制备的材料电化学性能好，在超级电容器储能方面具有很好的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种高淀粉含量生物基多孔活性炭材料的制备及其应用，具体采用发泡法及管式炉活化策略制备多孔活性炭材料，该材料可应用于超级电容器的电极材料，属于能源转换与存储领域。

背景技术

随着现代工业和农业的快速发展，能源枯竭和环境污染等问题引起了广泛关注，开发研究新能源和高效能源存储设备迫在眉睫。超级电容器是一种优异的能源存储设备，具有高的功率密度、良好的循环稳定性和长使用寿命等优点。生物质衍生多孔活性炭是电容器中一类电极材料，它具有电化学性能稳定、比表面积高、价格低和可再生等优点，在超级电容器电极材料上具有较大优势。生物质中含有的杂原子可在材料制备过程中自掺杂，提高电极材料的电化学性能，因为杂原子可以增强电极材料的润湿性和赝电容性。例如，中国专利CN112908725A报道了氮磷双掺杂活性炭的制备应用于超级电容器,以己二酸、乙二醇和2-羧乙基苯基次磷酸以及催化剂钛酸为原料通过水热和高温活化法制备出氮磷双掺杂电极材料。中国专利CN108010747A报道了以硫酸和尿素分别作为硫源与氮源，再以氢氧化钾作为生物质纤维素的活化剂通过高温煅烧制备氮硫双掺杂活性炭。上述专利在活化过程中使用了较多的化学试剂，强酸、强碱的使用对实验器材有较强的腐蚀性，不够环保，额外的掺杂剂也费财费力，成本高。因此，急需寻找一种新的生物质材料的炭化活化方法。

在本申请中，发明人提出一种通过KMnO₄热溶液的化学发泡策略来制备高淀粉含量的多孔活性炭材料。高淀粉含量的生物质包括：面粉、大米、玉米粉、葛根粉、藕粉、中药材百合及其药渣等。KMnO₄具有较强的氧化性，高淀粉含量的生物质粉遇到KMnO₄的热溶液，迅速分解放出大量热量，同时生成KHCO₃、MnO₂，随着温度升高，KHCO₃分解为K₂CO₃和CO₂，其次，在高温炭化过程，新生成的MnO₂、K₂CO₃、CO₂、K₂O继续与前驱体中的C元素反应，制备出具有较大比表面积和优异电化学性质的蓬松多孔活性炭材料，且不腐蚀设备。同时，生物质材料本身含有氮氧元素，在炭化过程中可以自掺杂，无需另外提供掺杂元素，通过自掺杂提高了电极材料的亲水性和赝电容性，增加活性位点，从而获得较高的比电容和良好的循环性，具有实际应用价值。本发明是一种具有应用前景的高淀粉含量生物质基材料的高值化利用方式，实验方法简单、成本低，可大规模生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的问题，如超级电容器电极材料来源成本高、活化剂易腐蚀设备等，提供了一种高淀粉含量生物质基多孔活性炭材料的制备方法，通过KMnO₄热溶液的化学发泡策略制备，获得拥有较大比表面积的生物质及多孔活性炭材料，应用于超级电容器电极材料。

高淀粉含量生物质原料的活化过程：

称取2~5 g的KMnO₄溶于15~30 mL去离子水中，在70℃~100℃下搅拌，得到KMnO₄溶液；向KMnO₄溶液里加入2~5 g干燥的高淀粉含量生物质材料粉末，在70℃~100℃下搅拌20~50 min，随着反应进行，伴随大量气体放出，生物质体积膨胀，得到紫色糊状物；将糊状物放入烘箱中烘干，得干燥的紫色糊状物。