[发明专利]一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及能源存储材料技术领域，更具体的说是涉及一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法及其应用。

背景技术

能源是人类社会发展的基石，开发和利用新的清洁能源对于全人类的生存和可持续发展显得尤为重要。而可反复充放电的锂离子、钠离子电池和超级电容器作为新型的能源存储和供电器件，具有循环寿命长、无记忆效应、和适宜的能量密度或者功率密度等优点，不仅是目前无数便携式电子产品的主要供能设备，而且在电动汽车、航天航空等领域得到了广泛的应用。因此，大力发展可充放电电池、超级电容器等新型能源存储器件，已成为新能源体系的重要组成部分。通常，钠、锂离子电池和超级电容器的比容量、循环寿命、工作电压等性能指标主要是由电极材料的性能所决定。因此，各国科研工作者在电极材料的研究方面开展了大量的工作，当前主要集中在新材料、新制备方法、新改性途径等方面。传统的电极材料是一些具有电化学活性的过渡金属化合物，碳材料以及部分有机材料。这些电极材料展现了较好的性能，已经部分被应用于商业化二次电池或者超级电容器，并且展现出了可观的市场价值。但是，还面临着各种各样的问题。例如，基于过渡金属化合物的电极材料，面临着因资源过度开采而造成不断攀升的制造成本；有机材料面临着电化学稳定性问题，循环性能较差；碳材料只能用作电池负极。因此，构建新型、廉价、高效的能源存储材料是发展二次电源的重要方向。

随着我国近代工农业的飞速发展，水污染日益严重。有机染料污染是水体最主要污染源之一，并且大多数有机染料都具有生物毒性和致畸致癌性，在自然环境中极难降解，导致受污染水域生态平衡遭受严重破坏，对人类和其他生物的健康构成极大的威胁。随着各种染料的广泛使用，有10％～15％的染料在生产和使用过程中释放到环境中，不仅破坏水体的生态平衡，也浪费大量宝贵的化工原料。通过对三大类应用最广泛的染料(含氮类染料、蒽醌类染料及三苯基甲烷类染料)的分子结构进行分析，发现部分含氮类染料、蒽醌染料都含有可逆的氧化还原电对。比如，典型的含氮类染料分子如中性红，具有吩嗪类氧化还原官能团；亚甲基蓝，具有吩噻嗪类氧化还原官能团；蒽醌类染料，如茜素红，在一定条件下，较容易实现蒽醌基和氢醌基的互变反应，因此具有可逆氧化还原活性。当然，有些具有氧化还原活性的染料分子同时含有较多无效官能团，其质量比容量可能不大，但是跟其它材料复合后，其长度、面积或体积比容量可能会比较优越。因此，从理论上说部分染料分子具备一定的电荷存储能力。换言之，部分有机染料废弃物有望被资源化成为能源存储材料。

面临染料废水带来的生态危害，以及开发新能源存储材料的迫切需求，将有机染料废弃物进行资源化利用，不仅能构筑高效的、基于废弃染料分子的新型能源存储材料，而且能从一定程度上缓解部分染料废水对生态环境带来的污染，具有深远的理论与现实意义。

因此，如何提供一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法，是本领域人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法及其应用，利用污水中的常见有机染料废弃物为能源存储材料的活性物质，不仅能够减轻环境污染，实现新型能源存储材料的构筑；而且制备工艺简单，重复性好；同时所用原料储量丰富，成本低；另外所制备的复合电极材料比容量高，循环性能好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法，包括如下步骤：

(1)将有机染料废弃物溶解，并制得废液；

(2)从步骤(1)制得的废液中提取有机染料；

(3)将步骤(2)提取的有机染料与双电层电容活性材料复合，制备出复合电极；

(4)将经过步骤(3)制备的复合电极组装入能源存储器件中。

优选的，在上述一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法中，步骤(1)中所述有机染料包括具有可逆氧化还原电对的含氮类染料、蒽醌类染料。

优选的，在上述一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法中，步骤(1)中溶解所述有机染料废弃物的溶液包括去离子水。

优选的，在上述一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法中，步骤(3)中制备复合电极的方法包括所述有机染料的分子与介孔碳(CMK-3)一步吸附复合、所述有机染料的分子与聚吡咯(ppy)一步电聚合。

优选的，在上述一种利用有机染料废弃物制作新型能源存储材料的方法中，步骤(3)中制备复合电极的方法包括如下步骤：