[发明专利]一种碱木质素基超级电容器用多孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

一种碱木质素基超级电容器用多孔炭材料及其制备方法和应用，将造纸黑液中粗提纯的碱木质素与三嵌段聚合物Pluronic F127和Mg(CH₃COO)₂·4H₂O混合，加入甲醛与盐酸充分搅拌均匀得混合液；将上述混合液置于烘箱中干燥，得到黑褐色固体；然后将黑褐色固体置于管式炉中进行炭化反应，反应结束后持续通入氮气或惰性气体冷却至室温；最后进行酸洗、水洗，干燥后得到黑色粉末状的多孔炭材料。所得材料可应用于双电层超级电容器中，炭化过程中，不使用强酸、强碱等强腐蚀性化学物质，对设备的损耗降到最低；所用原料为制浆造纸工业中的副产物，实现了资源的最大化利用，并且木质素来源广泛、价格低廉，降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及一种多孔炭材料的制备方法及应用，具体是一种利用生物质可再生资源木质素为原料，通过双模板法制备多孔炭材料，以及此材料在超级电容器方面的应用。

背景技术

木质素是自然界中含量第二丰富的可再生资源，仅次于纤维素，同时是自然界含量最为丰富的芳香类高分子聚合物。然而，目前木质素作为制浆造纸工业的副产物，一直没能得到有效利用，还造成了一定的环境污染。木质素分子中含有大量的苯丙烷结构，碳含量超过60%，不仅含量丰富、来源广泛，而且成本低廉，因此是制备炭材料最有前景的理想前驱体之一。随着能源与资源的日益枯竭，能源的储存技术发展迅速。炭材料因为具有较高比表面积和丰富的微孔和中孔结构而具备良好的电荷储存能力，在双电层电容器中可逆地吸附电解液中的离子，广泛应用为电极材料。

目前以木质素为原料制备活性炭，与使用其他生物质原料（如椰壳、果壳或木屑等）的制备方法相同，多以传统的物理活化法、化学活化法或物理-化学联用活化法为主，制备的活性炭材料具有极高的比表面积和发达的孔隙结构，是一种非常理想的吸附材料和储能材料。但是其孔隙结构以微孔为主，对大分子的吸附分离等效果较差。并且受孔径限制，分子大量输送缓慢，传导率低，而且表面大量官能团和缺陷导致高温处理或石墨化时孔结构容易坍塌。中孔炭材料，具有较大孔径和较高比表面积，孔道规则、孔径分布窄。因此，中孔炭材料的制备与研发逐渐成为近年来炭材料科学的研究热点和前沿课题。

通过调整炭化与活化工艺，或许能在一定程度上调节孔大小。但是工艺复杂，成本大大增加。模板法利用了模板剂的结构导向作用，通过改变模板纳米空间的大小和形状、以及其结构的有序性，使其中的有机物炭化过程受到限制，进而控制炭材料的结构。模板法的出现使多孔炭材料的孔径准确调控成为可能。并且炭化过程中不使用强酸、强碱等腐蚀性化学物质，对设备的损伤比较小，是一种更方便友好的制备工艺。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供了一种碱木质素基超级电容器用多孔炭材料及其制备方法和应用，该材料应用于双电层超级电容器中时具备良好的电化学性能。并且本发明采用纸浆造纸工业中的副产物碱木质素为原料，“变废为宝”、实现了资源的最大化利用，同时减缓了造纸废液对环境的影响。

技术方案：碱木质素基超级电容器用多孔炭材料的制备方法，将造纸黑液中粗提纯的碱木质素与三嵌段聚合物Pluronic F127和Mg(CH₃COO)₂·4H₂O混合，其中碱木质素与Pluronic F127的质量比为1：（1~3），Mg(CH₃COO)₂·4H₂O的加入量为碱木质素质量的1~10倍，加入甲醛与盐酸充分搅拌均匀得混合液，甲醛加入量为总溶液体积的1%~2%，盐酸加入量为总溶液体积的0.5%~1%；将上述混合液置于40℃~80℃烘箱中干燥，得到黑褐色固体；然后将黑褐色固体置于管式炉中进行炭化反应，炭化温度为800℃~1000℃，炭化反应以程序升温的方式，在氮气或惰性气体保护下进行，反应结束后持续通入氮气或惰性气体冷却至室温；最后进行酸洗、水洗，干燥后得到黑色粉末状的碱木质素基超级电容器用多孔炭材料。