[发明专利]一种基于壳聚糖的超级电容电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于壳聚糖的超级电容器电极的制备方法，是以自然界广泛存在的壳聚糖为原材料，在高压水热反应釜中进行水热反应，得到富含大量微孔和氮元素的新型碳材料。该碳材料石墨化程度高，比表面积大，具有较为规整的孔径结构。而且在水系液态盐溶液电解液中组装的超级电容电极具有良好的电化学性能和循环性能。本发明所需原材料常见易得，天然无毒，制备方法简单，得到的碳材料是制备超级电容器电极的一种新型材料。

【技术领域】：本发明属于资源、材料和能源领域，具体地说，涉及以自然界广泛存在的几丁质衍生物壳聚糖为原材料制备多孔碳基电极材料并将之应用于能源存储。

【背景技术】：超级电容器亦称电化学电容器，是近些年来发展起来的一种新型绿色储能器件，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

它的特点具有快速充放电、功率密度大、循环寿命长等。基于这些优异的性能，超级电容器可以作为无污染的后备电源用于多种电器设备，同时它也可与电池共同组成复合电源为电动汽车提供动力，近年来受到广泛关注并得到快速发展。

由于活性炭(Active carbon,AC)作为活性炭是一种传统的多孔炭材料。由于其来源广泛、制备工艺成熟、价格低廉、比表面积高等优点已经广泛用作超级电容器电极材料。目前人们已经利用多种前驱体通过不同的活化方式制备出了具有不同孔径大小和比表面积的活性炭材料，并用于超级电容器电极材料。

目前最常用的还是采用化学活化的方法来制备高比表面积的活性炭材料。化学活化法采用炭化、活化过程同时进行，活化时间较短，且活性炭的孔隙结构主要是活化剂把原料中的氢、氧原子通过脱水除去而形成的孔隙，所以碳的得率较高。

壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的甲壳素(chitin)经过脱乙酰作用得到的一种天然阳离子多聚糖，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，广泛存在于虾、蟹等甲壳动物外壳中。自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良险能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。

【发明内容】

本发明目的是，通过一种简易而又绿色的方法，利用自然界中广泛存在的从海产品废弃物中提取的壳聚糖为原料，将其转化为具有大比表面积和大孔容的多孔碳材料，并将其应用于超级电容电极材料。该工艺制备方法简单、绿色环保，所获得的电极材料在中性电解液环境下具有高比电容、电化学性能稳定。

所述基于壳聚糖的超级电容器电极的制备方法，是以自然界广泛存在的壳聚糖为原材料，在高压反应釜中经过不完全水热碳化后，再进行KOH活化生成黑色的碳材料，该碳材料碳元素重量百分比在50～90％，氧元素重量百分比在5～40％，氮元素重量百分比在1～7％。

所述方法经过如下步骤：

(1)在磁力搅拌下先后加入1～4质量份的壳聚糖和10～12质量份的蒸馏水，持续搅拌30min；

(2)将步骤(1)配制的混合液物转入不锈钢高压反应釜内，密封加热至200～250℃恒温反应10～16h；

(3)反应结束后冷却至室温，生成的黑色粉末用蒸馏水和乙醇交替洗涤，于80～90℃恒温干燥10～12h去除全部的水分。

(4)将生成的1质量份的黑色物质与0.5～2质量份的KOH混合后转入刚玉管中，接着于管式炉中以4～6℃每分钟的升温速率加热至600～900℃进行煅烧；