[发明专利]一种以生物质废料为原料制备高比表面积活性炭材料的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高比表面积活性炭材料的制备方法，具体涉及一种以生物质废料为原料制备高比表面积活性炭材料的方法及其作为电极材料组装高性能超级电容器的应用。

背景技术

能源和环境问题是当今世界所面临的两大挑战性的课题。我国是一个传统农业大国，每年农作物收获加工的废弃物数量巨大，对这些依然具有利用价值的原料进行深加工利用，不但可以最大限度地利用这些生物质资源，而且可以解决将其焚烧而带来的巨大环境污染问题。

开发生物质利用和转化技术，将具有环境友好性的生物质材料转化为高性能的能源领域应用材料，对于解决人类面临的经济增长和环境保护的双重压力、建立可持续发展能源系统、促进社会经济的发展和生态环境的改善具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。

目前，生物质原料的再利用通常采用高温高压法(包括超临界方法)或固态发酵法进行液化处理转化为生物燃料、饲料或有机肥料。

将生物质原料转化为能源领域的应用材料(如活性炭电极材料)，具有更加重要的意义。然而，目前利用生物质原料制备活性炭的技术具有如下缺点：一方面采用了高耗能的高温碳化的方法，另一方面制备的活性炭材料的电学性能不理想。因此，开发一种低能耗生物质资源转化为高性能活性炭材料的合成方法和技术具有重要的研究意义和实际应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的缺点与不足，本发明的目的是提供一种以生物质废料(如玉米秸秆)为原料，通过水热反应和活化剂活化过程制备高比表面积活性炭材料的方法，以及将其作为电极材料在研制高性能超级电容器中的应用。

本发明中高比表面积活性炭材料的制备方法如下：

1)将生物质原料经风干、粉碎、烘干处理，得到均匀干燥的淡黄色秸秆粉末。

2)称取上述一定量秸秆粉末与去离子水于烧杯中搅拌均匀，转移至反应釜中，于一定温度下进行水热反应一定时间。

3)将上述水热反应产物加入去离子水搅拌并进行抽滤，再用去离子水洗涤、干燥，得到棕褐色粉末状固体产物。

4)将步骤3)中的固体产物与活化剂以一定的质量比混合均匀，于管式炉中高温活化。

5)将上述活化后的产物用盐酸和去离子水洗涤至中性，干燥，得到黑色蓬松粉末状固体(即活性炭材料)。

进一步地，步骤1)中，生物质原料包括但不局限于玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆其中的一种或几种的复合；粉碎的目数是100目。

进一步地，步骤2)中，原料粉末与去离子水的质量体积比为1:6-1:10；水热反应的条件：温度为120-200℃；时间为6-12h。

进一步地，步骤3)中，干燥的条件：温度为120℃；时间为24h。

进一步地，步骤4)中，活化剂为KOH、ZnCl₂、K₂CO₃、Na₂CO₃、NaOH；固体产物与活化剂的质量比为1:2-1:8；活化处理的条件：温度为600-1100℃；时间为1h。

进一步地，步骤5)中，盐酸的浓度为0.1mol L^-1；干燥的条件：温度为120℃；时间为24h。

本发明还涉及一种上述方法制得的高比表面积活性炭材料的应用，将所述活性炭材料应用于催化剂载体或催化剂，或者将所述活性炭材料作为电极材料来组装能源器件。所述能源器件为超级电容器、锂离子电池和锂离子杂化电容器。

本发明中制备得到的活性炭材料具有以下特征：

1.黑色蓬松状粉末。

2.具有高的比表面积，采用不同活化剂，均获得了1700m²g^-1以上的比表面积，其中最高达3237m²g^-1(如表1所示)。

3.具有丰富的孔结构，均以介孔为主，图2和图5清晰地表征了材料的介孔结构，而介孔结构的作用在于：(1)作为电极材料，有利于电解液离子的传输，增强电学性能；(2)作为吸附材料或催化材料，丰富的孔结构有利增强与底物分子结合的能力。

4.具有较好的导电性能，电导率最高达33s m^-1。

5.与背景技术提及的制备活性炭的技术相比，本发明制备高比表面积活性炭材料的过程中，并没有采用高耗能的高温碳化的方法，而是采用简单的水热处理和活化处理相结合的方法，这是本发明的一大优势，能耗更低，工艺简单，生产周期更短。