[发明专利]一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与能源存储领域，具体涉及一种具有优异超级电容性能的生物质基多孔碳材料及其制备方法与在超级电容器中的应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间新型的储能装置，由于具有功率密度高、循环寿命长、充放电速率高等优点，一直是人们研究开发的热点。电极材料是决定超级电容器性能的最主要的部分，其中多孔活性碳材料由于具有稳定性高、寿命长、原料来源丰富、导电性能好等优点，已成为最具有商业竞争力的电极材料。近年来由于化石能源的短缺，碳材料的发展受到了一定的限制。为了进一步发展碳材料和应对能源危机的挑战，研究者将目光投向了富含碳元素的可再生生物质资源。

我国是世界上最主要的水稻种植国家，稻谷总产量约占全国粮食总产量的1/3。稻杆作为大米生产过程中的主要废弃物，数量巨大。以稻杆为原料制备碳材料，既可以克服化石资源危机对碳材料发展的限制，又可以提高稻杆的利用价值，减少焚烧带来的环境污染问题。稻杆原料含有大量的二氧化硅，以其自身存在的二氧化硅为天然模板，利用化学活化的方法制备稻杆基多孔碳材料，并将其应用于超级电容器电极材料的制备，可以实现稻杆生物质原料的高值化应用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种具有优异超级电容性能的生物质基多孔碳材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的生物质基多孔碳材料。所述多孔碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔径分布合理、超级电容性能优异等优点。

本发明的再一目的在于提供上述生物质基多孔碳材料的应用。所述生物质基多孔碳材料在超级电容器、吸附材料、催化材料中的应用，特别是用于制备超级电容器的电极材料。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种生物质基多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将稻杆进行干燥、粉碎；

(2)将粉碎后的稻杆在不碳化或者预碳化后，与活化剂水溶液混合均匀、干燥；或者将粉碎后的稻杆在不碳化或者预碳化后，直接与固体活化剂混合均匀，得到混合后的产物；

(3)将混合后的产物置于管式炉中，在惰性气体氛围中，高温碳化活化；

(4)将碳化后的产物采用酸溶液和碱溶液进行洗涤，再用去离子水洗涤至中性，将洗涤后的产物干燥，得到生物质基多孔碳材料。

步骤(1)、(2)和(4)中所述干燥温度为50～100℃，干燥时间为4～24小时。进一步优选的，干燥温度为60℃，干燥时间为12小时。

步骤(2)中所述预碳化是指从室温以(0.5～20)℃/分钟升温速率升温至200～750℃，保温0～20小时。进一步优选的，升温速率为5℃/分钟，碳化温度为300℃，保温时间为90分钟。

步骤(2)中所述活化剂为KHCO₃、KOH、NaOH、ZnCl₂、H₃PO₄中的一种以上。进一步优选的，所述活化剂为KHCO₃或KOH中的一种以上。

步骤(2)中所述稻杆和固体活化剂直接混合的方法为研磨法，研磨时间为5～40分钟。

步骤(2)中所述活化剂与稻杆的质量比为(0.25～5)：1。进一步优选的，活化剂与稻杆质量比为1:1。所述活化剂水溶液是指采用水将活化剂溶解，优选为刚刚溶解。

步骤(3)中所述惰性气体为氮气或氩气。

步骤(3)中所述碳化活化是指从室温以(0.5～20)℃/分钟的升温速率升温至600～1000℃，并保温0.2～10小时。进一步优选的，所述碳化的过程为从室温以3℃/分钟的升温速率升温至750℃，并保温2小时。

步骤(4)中所述酸溶液和碱溶液进行洗涤是指依次用盐酸、氢氧化钠洗涤，或者先用氢氧化钠洗涤后再用盐酸洗涤。

步骤(4)中所述酸溶液是浓度为0.05～2M的H₂SO₄或者HCl溶液；所述碱溶液是质量分数为20％～25％的KOH或NaOH溶液。

在本发明的制备条件下，所制备的生物质基多孔碳材料的比表面积为824～2064m²/g；在三电极体系中，用1M H₂SO₄电解液进行电化学测试，电流密度为0.5A/g时，比电容的为223～357F/g。

所述生物质基多孔碳材料通过上述方法制备得到。

所述生物质基多孔碳材料在超级电容器中的应用。