[发明专利]高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用。所述制备方法中先以含有SiO₂、碳酸盐等天然无机模板组分的生物质作为碳源，以含氟聚合物作为模板去除剂，混合均匀后，在一定气体保护下进行高温炭化反应，利用含氟聚合物在高温下产生HF小分子的特点，原位将生物质中SiO₂、碳酸盐等无机模板组分在炭化过程中一步去除，使得生物质在炭化的同时完成了对模板的原位去除，由此直接得到高比表面积生物质基炭材料。本发明工艺简单，所得炭材料具有发达的孔结构和层次性纳米结构，BET比表面积达到1234～2620m²/g，孔容为0.89～2.05cm³/g，可用于制备电化学电容器的电极材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用。

背景技术

多孔炭材料具有孔隙率丰富、导电率高、物理化学稳定性优异和孔结构可调等优点，在能源储存、吸附、分离、催化、石油化工和医疗卫生等领域有着广泛且重要的应用，备受各国政府和学者的关注，是材料学科的热门研究领域。

近年来，科学家在合成和控制多孔炭材料方面取得了长足进展。随着纳米科学与技术的深入发展，人们对多孔炭材料的结构设计、可控合成、性能及应用提出了更高要求。其中，设计合成具有高度发达多孔结构的炭材料，是该领域面临重大挑战之一，也是性能提升和应用拓展的关键所在。

迄今为止，制备高比表面积炭材料的方法主要包括活化法和模板法。其中，活化法是目前制备多孔炭材料最普遍与成熟的技术路线。尤其是采用氢氧化钾作为活化剂的致孔效果非常好，可以在较短的时间内刻蚀出大量微孔，所制备得到的炭材料比表面积一般可以达到2000m²/g以上。然而，该方法通常采用高的氢氧化钾用量，且后处理时需要酸洗以及水洗，容易造成制备时对环境的严重污染，同时导致材料的成本居高不下。

另一方面，模板法为纳米孔炭结构的构建开辟了一种新途径，它克服了活化法难以精确控制孔结构的缺点，给纳米孔炭材料的开发与应用注入了活力。模板法制备高比表面积炭材料的步骤一般如下：(1)合成预定纳米结构的多孔SiO₂模板；(2)对模板进行反复填充炭源-干燥-热处理；(3)炭化；(4)利用氢氟酸或强碱洗涤以去除SiO₂模板。显然，这类方法耗时长，合成过程繁琐，成本高，不适宜大量生产。值得一提的是，去除模板需要用到有毒的氢氟酸或者腐蚀性强的强碱，这不仅增加了工艺流程,而且对环境和人体危害较大。

近年来，开发有机物小分子或特定的高分子作为碳源，利用直接炭化法制备得到高比表面积炭材料引起了研究者的极大兴趣。然而，这类方法通常涉及到复杂甚至十分苛刻的化学合成工艺，而且原料价格昂贵，导致制备成本较高。

另一方面，天然生物质具有来源广泛、成本低、可再生和环境友好等特性，借助天然生物质合成高比表面积炭材料受到了人们广泛的重视。玉米秸秆、海藻、鱼鳞、动物骨头、木屑粉、稻谷壳等生物质都已被开发用来制备多孔炭材料，取得了较好的效果。然而，迄今为止，高比表面积生物质基炭材料的制备仍然不可避免使用到活化技术路线，这类合成方法不仅存在工艺复杂、对环境不友好等不足之处，而且难以进行结构调控，具有明显的局限性。

综上所述，目前高比表面积炭材料的合成方法存在以下弊端：(1)使用强碱作为活化剂，不仅制备成本高，而且后处理过程复杂，需要消耗大量的水进行中和，浪费水资源，且易造成环境污染；(2)消耗大量额外的模板剂，制备流程繁琐；(3)使用腐蚀性强的强碱或氢氟酸去除硬模板剂，对环境和人体不友好；(4)原料常采用有机物小分子或高分子，成本较高，制备条件苛刻。这些瓶颈制约了高比表面积炭材料的发展进程。因此，开发简单高效、条件温和、环境友好的新型工艺路线，设计合成具有发达孔结构的炭材料，仍然是炭材料领域带有共性的、亟待解决的重要问题。

发明内容