[发明专利]一种高容量改性天然高分子基硬炭材料及其制备与应用

权利要求书

1.一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将纳米纤维素加入水/有机溶剂复配体系，搅拌均匀后加入木质素，超声分散，得到纳米纤维素/木质素混合液；

步骤2：将上述纳米纤维素/木质素混合液进行溶剂热反应，反应所得固相产物经洗涤、冷冻干燥，制得改性天然高分子基杂化前驱体；

步骤3：对上述改性天然高分子基杂化前驱体进行还原处理，制得改性天然高分子基热解炭；所述还原处理的条件为：还原气氛为氢气和氩气的混合气体，其中氢气和氩气的体积比为1:10~10:10；升温速率为1~10℃/min，还原温度为200~600℃，还原时间为0.5~12h；

步骤4：对上述改性天然高分子基热解炭炭化处理，制得所述改性天然高分子基硬炭材料。

2.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中纳米纤维素为纤维素纳米纤维、纳米晶和细菌纤维素中的至少一种；木质素为碱木质素、木质素磺酸钠和酶解木质素中的至少一种；纳米纤维素与木质素的质量比为1:20~20:1。

3.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中水/有机溶剂复配体系中有机溶剂为无水乙醇、丙二醇、异丙醇、丙酮、N~甲基吡咯烷酮、N,N~二甲基甲酰胺、N,N~二甲基乙酰胺中的至少一种；水与有机溶剂的体积百分比为1:99~99:1。

4.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中超声分散的时间为10~120min，功率为100~800W；纳米纤维素/木质素混合液的浓度为0.1~1mg/mL。

5.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中溶剂热反应的温度为120~290℃，时间为4~24h；冷冻干燥的温度-20~-50℃，时间为4~12h。

6.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中改性天然高分子基热解炭的氧含量为10~35wt.%。

7.根据权利要求1所述的一种高容量改性天然高分子基硬炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中炭化处理的条件为：炭化温度为900~1600°C，升温速率为1~10°C/min，炭化时间为0.5~10h。

8.一种权利要求1~7任一项所述方法制备的改性天然高分子基硬炭材料，其特征在于：所述改性天然高分子基硬炭材料是基于纳米纤维素和木质素之间的氢键、静电作用和共价键多种相互作用，木质素对纳米纤维素界面化学耦合交联与修饰改性而形成的具有稳定异质界面结构的硬炭材料。

9.根据权利要求8所述的改性天然高分子基硬炭材料，其特征在于：所述改性天然高分子基硬炭材料的类石墨微晶层间距为0.34-0.45nm、比表面积为1-100m²/g、炭收率为25-45wt.%。

10.一种权利要求8或9所述的改性天然高分子基硬炭材料作为锂离子电池负极材料和钠离子电池负极材料的应用。