[发明专利]含有石墨烯分子结构的植物多酚树脂炭电极材料的制备

说明书

一、技术领域

本发明属于超级电容活性炭通常称为超级活性炭或炭电极材料的制备，制备的该炭电极材料具有超大的比表面积，孔集中，低灰份，和导电性好等特点，适用制造高性能电池，在新能源领域广泛使用。

二、背景技术

在新能源领域，超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子释放电流，从而为设备提供电源。超级电容器极长的工作寿命和快速充放电特性，在电动车辆、混合动力车辆、电动工具、电动玩具、铁路系统、电力系统等行业得到应用。炭电极材料，具有超大的比表面积，孔集中，低灰份和导电性好等特点，是制造高性能电池，双电层电容器的最重要的主要材料。

炭电极材料通常是以石墨矿石为原料，或者使用木质活性炭，或者煤质活性炭，或者沥青焦油活性炭经过化学品催化活化得到的，在生产过程中为了去除杂质和提高电导率，产生了大量的废水和废气，造成了难以处理的环境污染问题。为了提高电极材料的导电效果人们在材料中添加了石墨烯，众所周知，石墨烯来源于石墨矿石，是一种有限的化石资源，目前还没有找到一种能使用简单方便的制备方法，得到单层或者少层结构的石墨烯材料被广泛应用，其改性石墨烯的价格又非常昂贵。

植物多酚是存在于地球的丰富的植物资源，是可以再生的生物质原料，是储量广泛的天然产物，是有待开发的新资源，比如植物单宁就是其中的一种。目前还没有关于使用植物多酚制备树脂炭电极材料的报道。

三、发明内容

本发明针对上述问题，通过对从植物中得到的以单宁酸为代表的植物多酚化合物，经过水解，脱羧，然后加入甲醛进行缩合反应，得到植物多酚树脂，再通过高温固化，然后高温炭化，在炭化反应过程中通过红外光谱分析跟踪炭化反应，依据红外光谱图数据解析表征得到植物多酚树脂炭化物含有石墨烯分子结构，对得到的炭化物经过去离子水洗涤后再高温活化，得到了含石墨烯分子结构的植物多酚树脂炭电极材料。

本发明技术方案为：

使用从植物中得到的植物多酚，根据不同植物多酚原料特点，采用水解，脱羧，热解等工艺进行预处理，然后加入甲醛进行缩合反应，得到植物多酚树脂，再通过高温固化，然后高温炭化，在炭化反应过程中通过红外光谱分析跟踪炭化反应，依据红外光谱图数据解析表征得到植物多酚树脂炭化物含有石墨烯分子结构，对得到的炭化物经过去离子水洗涤后再高温活化，然后粉碎过200目以下标准筛，得到了含石墨烯分子结构的植物多酚树脂炭电极材料。

以水解类单宁酸为代表其制备过程的化学反应式如下：

式中：

本发明具体采用的技术方案如下：

步骤一：植物多酚树脂的制备

取40份的单宁酸，40份的水，20份的含30％氢氧化钠的液体碱，加热到80℃，恒温搅拌2小时，加入含10％的盐酸调整PH至3，停反应，冷至20℃，放置待析出结晶，然后过滤得到粉末状结晶体，然后干燥至水份含量为5％以下。使用该粉末状结晶体，在175℃加热脱羧得到植物多酚。取得到的植物多酚45份，水45份，氢氧化钾10份，低聚甲醛30g，放置三口瓶中，在水浴75℃，搅拌反应5小时，停反应，得到线性植物多酚树脂，把反应物转移至敞口器皿中，在150℃固化反应4小时，得到梯型植物多酚树脂。

步骤二：高温炭化制备含石墨烯结构植物多酚树脂炭

取植物多酚树脂，放置在瓷坩埚中，加盖，放置在马弗炉中，加热至300℃恒温2小时，取样。继续加热至350℃恒温2小时，取样。继续加热至400℃恒温2小时，取样。继续加热至450℃恒温2小时，取样。

分别取植物多酚树脂样品，和炭化反应的300℃样品，和炭化反应的350℃样品，和炭化反应的400℃样品，和炭化反应的450℃样品，做红外光谱分析，依据官能团的变化，得到炭化反应中植物多酚树脂的分子结构变化结果，见附图2～6，依据红外光谱图谱解析得到植物多酚树脂在450℃炭化反应中生成了石墨烯分子结构。

步骤三：高温活化制备含石墨烯结构植物多酚树脂炭电极材料

取炭化后的植物多酚树脂炭，使用2倍的去离子水清洗，过滤，烘干，反复2次，然后放入瓷坩埚中，加盖，放置在马弗炉中，加热至850℃恒温2小时，停加热，放置冷至室温，然后粉碎过200目以下标准筛，得到含石墨烯结构植物多酚树脂炭电极材料。