[发明专利]一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用

说明书

本发明属于生物碳材料制备技术领域，具体公开了一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用，该方法将采集的水葫芦生物质洗净、干燥并粉碎后，首先利用水热处理过程降解去除生物质中易降解的半纤维素及低分子量糖类，得到具有众多大分子孔洞的褐煤状水热碳，再利用高温熔盐热解过程将水热碳进一步碳化、活化，继而得到孔结构丰富、富含表面官能团的多孔生物碳材料。本发明所制备的生物碳在应用于超级电容器储能材料时，表现出优异的比电容性能。另外，本发明将大宗水生植物水葫芦转化成为高性能的生物碳材料，不仅实现了水葫芦生物质的处理处置问题，而且可以变废为宝，实现废弃生物质的高附加值资源化转化利用。

技术领域

本发明属于生物碳材料制备技术领域，具体涉及一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及所制备多孔碳材料的应用。

背景技术

水葫芦，又称为凤眼莲。由于其生长迅速，繁殖能力强，可用于治理水体富营养化氮、磷污染问题。然而，水葫芦的引入虽然使水质得到明显的改善，但吸收大量氮、磷营养元素后水葫芦迅速繁殖并覆盖湖面，其处理处置问题对管理人员造成困扰。若不及时打捞，覆盖于湖面的大量水葫芦会影响湖体阳光的照射及氧气的溶解，久而久之会造成水体的厌氧环境，生物群落消殆，水质急剧恶化；而打捞过程除了高昂的打捞成本外，如何处理数量庞大的水葫芦废弃物也是一个棘手问题。现有的填埋法或者堆制有机肥、土壤改良剂等技术均较为粗放，利用附加值较低。从另一角度来看，水葫芦是一种典型的水生纤维生物质，数量庞大的水葫芦蕴藏着巨大的生物质资源。如果能将这些水葫芦加以利用，不仅可解决这一大宗水生植物的处理处置问题，还可以变废为宝，将其转化为高附加值产品。

因此，本发明提出了一种水葫芦基高性能多孔生物碳材料的制备方法，将废弃生物质水葫芦转化为具有丰富孔结构的活性碳材料，不仅解决了水葫芦的处理处置问题，还可将水葫芦资源化利用，制备的活性碳应用于新能源领域的超级电容器电极材料，具有显著的环境效益及经济效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水葫芦基多孔生物碳材料的制备方法，该方法首先采用水热降解过程去除纤维生物质水葫芦中的半纤维素，制得含有众多大分子孔洞的水热碳；再利用高温熔盐处理过程将水热碳予以碳化、活化，水热过程形成的大分子孔洞为熔盐的催化、活化作用提供了大量的活化位点，从而制得孔结构丰富的生物碳材料。并且本发明为泛滥成灾的水葫芦治理及这一废弃生物质的资源化转化利用提供了一条有效途径。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：

(1)水葫芦的预处理：取水葫芦的茎部，洗净、干燥，然后粉碎成水葫芦粉末；

(2)水热处理：称取一定量步骤(1)中的水葫芦粉末，与一定量的去离子水加入到水热反应釜中，混合均匀；然后将反应釜置于180～230℃温度下水热反应12～48h，反应完后产物过滤、烘干，得到褐煤状生物质水热碳；

(3)熔盐活化处理：取步骤(2)中得到的水热碳，加入一定量的金属盐，混合均匀后置于刚玉瓷舟，放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于500～900℃煅烧1～4h，煅烧结束后冷却至室温，将产物经过酸洗、水洗、过滤、干燥，即得所述多孔碳材料。

其中，步骤(1)中采用超声仪进行洗净，所述干燥的过程为：自然风干5～6天，再于烘箱中80～120℃干燥12～48h；所述粉碎的过程为：用粉碎机将干燥的水葫芦茎部粉碎，并过20～80目筛。

优选的，步骤(2)中水葫芦粉末与去离子水的质量比为1:4～1:10。

优选的，步骤(3)中水热碳与金属盐的质量比为1:1～1:5。