[发明专利]一种碳仿生纳米材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种碳仿生纳米材料及制备方法。该碳仿生纳米材料是以丝瓜络为原材料，采用氢氧化钾化学活化法，在不同的温度和不同活化物质比例的条件下制备出的高比表面积活性炭材料(AC)，其最大比表面积为1592m²/g，主要由暴露{002}和{100}晶面的无定形碳组成。制备方法是首先对丝瓜络进行清洗粉碎干燥处理，用管式炉将干燥后的丝瓜络进行碳化，然后用活化剂氢氧化钾在不同温度和不同活化物质比例下进行活化处理，最后经过硫酸和去离子水处理后干燥即可制得样品。本发明中碳仿生纳米材料经过活化处理后在材料表面留下大量空隙，可以增大材料的比表面积，提高离子在充放电过程中的传输速率，使其能够在高电流密度下充放电时保持较高的电容量。

技术领域

本发明属于碳仿生纳米材料电极材料技术领域，涉及一种碳仿生纳米材料及制备方法，尤其涉及一种具有原材料易获得且容易制备和较大比表面积的碳仿生纳米材料的制备，可用于超级电容器电极材料。

背景技术

由于众所周知的原因，以化石燃料为基础的能源在世界上引起了许多经济和环境问题。不断增长的能源需求、化石燃料的资源消耗，以及越来越多的环境问题，包括温室气体排放和地方性空气污染物的排放，都促使人们寻求开发具有高功率密度和能量密度的替代能源。同时，随着技术的不断发展，人们对于高性能储能设备的需求也在不断提升。在这种时代背景下，出现了超级电容器，并使得许多材料被用于超级电容器电极的研究，而其中碳材料是研究时间最长，最广泛的材料。在电极碳材料的的工业历程中，生物质原材料现在已逐渐成为活性炭，多孔碳的主要原料。

活性炭具有长久的工业生产和应用历史，最早应用于超级电容器的碳电极材料，而多孔碳-活性炭粉-活性炭纤维这一顺序，代表了活性炭工业的发展方向，因为在材料经过活化后，其微孔数量会显著提升，从而提高活性炭的利用率。Ellie Yi Lih Teo等人使用氢氧化钾活化法制备稻壳活性炭(RHAC),其比表面积高达2696m²/g，SEM与TEM图证明其碳粉介孔数量显著提升，有利于形成双电层；Essandoh等人通过高温热解松木条，获得了具有多微孔结构的活性碳。实验结果表明松木条活性炭对废水中的水杨酸与布洛芬吸附能力要远高于商业活性炭；Liu等人利用废弃松木和稻壳在300℃条件下以水热法制得了多孔碳材料；Shoaib和Al-SWaidan以枣椰树为原料，二氧化碳为活化气体，高压下保温30min，得到了比表面积为1094m²/g的多孔碳材料。

发明内容

本发明的目的是为了增大碳仿生纳米材料的比表面积，从而提高其电化学性能。为此首次将丝瓜络作为碳仿生纳米材料的原材料，并使用氢氧化钾化学活化法提高材料的比表面积，制备具有高比表面积的活性炭材料。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种碳仿生纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将丝瓜络切成小块，用去离子水和乙醇清洗，在恒温干燥箱中干燥完全；

(2)取步骤(1)中干燥后的丝瓜络放入石英舟中，于管式炉中惰性气体保护下以不高于5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h；

(3)取步骤(2)中碳化的样品并加入活化剂氢氧化钾，加入去离子水使其混合，搅拌使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，完全干燥，保证加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:1～4；

(4)将步骤(3)中干燥后的样品在研钵中研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内惰性气体保护下，在600～800℃进行活化70min，升温速率不高于5℃/min,自然冷却至室温；

(5)用1M H₂SO₄对步骤(4)所得样品进行两次清洗，每次混合后超声至少15min，然后用乙醇和去离子水洗涤至中性，60℃下真空干燥，所得样品为碳仿生纳米材料。