[发明专利]射频等离子体改性快速制备酶解木质素基富氮活性炭方法

说明书

本发明是射频等离子体改性快速制备酶解木质素基富氮活性炭方法，属于生物质材料领域。其工艺是采用碱性水溶液萃取法对取自于生物燃料乙醇工业化生产线的酶解木质素进行提纯，再经筛选、炭化、KOH活化后得到酶解木质素基活性炭，用氮等离子体对其进行改性后与聚四氟乙烯乳液和乙炔黑混合、碾压、干燥，压制在泡沫镍上制得电极片，将电极片真空浸渍于KOH电解质溶液中，最后与聚乙烯隔膜、集电极、聚四氟乙烯保护外壳以及引线组装成超级电容器。经氮等离子体处理后，在2～10分钟内使酶解木质素基活性炭的比表面积提高5～30％，微孔比例增至95％以上，氮元素含量提高4～12倍，用其制备的超级电容器比电容较处理前提高20～60％。

技术领域

本发明涉及一种射频等离子体改性快速制备酶解木质素基富氮活性炭的方法，属于生物质材料领域。

背景技术

酶解木质素是从微生物酶解谷物、秸秆及农业废弃物制备能源燃料的残渣中提取分离得到的木质素。据统计，用6-7吨微生物酶解玉米秸秆可以生产1吨燃料乙醇，但同时产生1吨残渣，其中含有40-50％的酶解木质素。目前，我国燃料乙醇的产量为100多万吨，可从谷物、小麦、甘蔗、草、稻草、麦秆、玉米秆等多种生物质中制取，国家发改委已提出了我国2020年燃料乙醇的产量达2000万吨的目标。随着生物质燃料乙醇工业的发展，酶解木质素必将成为一类丰富的可再生资源。然而，酶解木质素尚未得到进一步开发利用，研究层面仅是作为固体燃料直接烧掉，附加值低，造成了严重的资源浪费。酶解木质素的增值利用可显著降低生物质燃料乙醇的生产成本，有效提升生物质燃料乙醇工业的经济活力。由于酶解木质素不仅具有较高的炭得率，价格低廉，来源丰富，而且其制备的多孔活性炭比表面积高，孔径分布适宜，被认为是制备活性炭的理想前驱体。

超级电容器是一种介于普通电容器与电池之间的新型储能元件，兼有普通电容器功率密度大和化学电池能量密度高的优点，而且充电速度快、使用温度范围宽(-25℃-90℃)、循环寿命长、对环境无污染，广泛应用于移动通讯、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域，具有极其重要和广阔的应用前景。电极材料是影响超级电容器电化学性能的主要因素，因此，改进电极材料的相关性能一直是该领域的研究热点。目前，活性炭是在以碳基材料作电极的超级电容器中最早和最广泛被运用的一种材料。活性炭的孔径结构是影响超级电容器电化学性能的关键因素，并且通过在活性炭表面负载目标含氮活性官能团能显著提高超级电容器的储电能力。目前，富氮处理通常是将活性炭置于含氮气体氛围下进行2-4个小时的热处理(250-450℃)，富氮过程耗能大，耗时长，导致生产成本高，生产周期长，生产效率低，其产业化推广受到极大的限制。等离子体是一种由大量电子、任一极性的离子、以基态或任何激发态形式的高能气态原子和分子以及光量子组成的气态复合体，其粒子的能量约从几个电子伏到几千电子伏，用这些高能活性粒子作用于活性炭表面，在极短时间内(数分钟内)足以使其原有化学键发生断裂，引入特定目标官能团，同时利用等离子体的刻蚀作用，在其表面形成大量纳米级孔隙，改善材料孔径结构，大幅度提高比表面积。利用氮等离子体制备的酶解木质素基多孔活性炭，具有较高的电化学性能。

本发明采用等离子体改性技术，快速高效地制备酶解木质素基多孔富氮活性炭，使酶解木质素变废为宝，大幅度提高利用纤维素原料生产燃料乙醇的经济效益，对于推进我国纤维素燃料乙醇的工业化进程具有重要的现实意义。同时，利用生物质资源-酶解木质素制备多孔富氮活性炭，减少对不可再生资源的依赖，对于促进我国碳材料工业的可持续发展具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是利用氮等离子体(即由电子、任一极性的离子、以基态或任何激发态形式的高能气态原子和分子以及光量子组成的含氮气态复合体)的物理和化学作用，在极短时间内(数分钟内)在酶解木质素基炭材料表面形成大量纳米级孔隙，大幅度增加其比表面积，并在表面引入目标含氮官能团，显著提高其比电容，获得电化学性能优异的多孔富氮酶解木质素基炭材料。这种炭材料可用于制备高性能，低成本的双电层电容器。

本发明的技术解决方案：射频等离子体改性快速制备酶解木质素基富氮活性炭方法是按以下步骤完成的：