[发明专利]一种蟹壳基生物多孔炭材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种蟹壳基生物多孔炭材料及其制备方法。首先将清洗好的蟹壳风干后置于80℃干燥箱内干燥24h，粉碎、研磨至小块置于管式炉中，在氩气保护下进行热处理(温度500℃、保温1h)。将热处理后样品用10％的盐酸浸泡2h，随后用蒸馏水洗至pH值接近7，将样品于80℃下干燥12h。然后浸泡于一水合柠檬酸钾溶液中24h，取出干燥。将干燥后在管式炉中氩气气氛下进行高温热处理(温度700℃、800℃，保温1h)，冷却至室温后取出，加入质量分数10％的盐酸浸泡5h后用蒸馏水洗涤至pH值为7。将洗涤后的样品干燥，制得蟹壳基生物多孔炭材料。该材料具有比表面积大、操作简单、制备周期短、制备成本低等优点。

技术领域

本发明提供一种蟹壳基生物多孔炭材料及其制备方法，属于炭基复合材料技术领域。

背景技术

生物质基活性炭材料具有较大的比表面积和多孔结构，具有良好的电化学性能，有望作为电化学超级电容器电极材料。以生物质作为碳源有着来源广泛、成本低、经济效益好的特点，因此生物质基活性炭材料在可再生能源领域占据着重要地位。

传统意义来说，活性炭材料主要来自煤和石油及其衍生物。然而，由于环境污染的增加和化石燃料储量的逐渐减少，许多研究人员将研究重点放在利用生物质废物作为制备活性炭材料的原料上。马诗瑶等使用蟹壳作为主要原料，KOH作为活化剂原位制备了生物基多孔炭材料，并用于超级电容器的电极材料，使原料蟹壳与KOH的加入量之比恒定为1:3，研究了热处理温度对样品孔隙率及孔径结构和所获得的碳材料的氧氮含量的影响。实验结果表明，通过改变煅烧温度可以改变蟹壳基多孔炭材料的孔结构和氮/氧含量的比例，且随着煅烧温度从500℃上升至700℃，多孔碳材料的比表面积和孔体积逐渐增加，但随着温度的升高，样品氮/氧含量不断降低。通过循环伏安法和恒电流充放电法测试材料的电化学性质。研究得出，煅烧温度为600℃时所得的生物基炭材料比表面积为612m²/g，在50mA/g的电流密度下比电容达到310F/g，循环1000次后样品比电容仍然保持95％以上，展示出良好的电化学性能，但此法使用KOH作为添加剂，KOH腐蚀性强，污染较大。Min Fu等使用典型的海鲜废物蟹壳作为前驱体制备多层次孔生物炭材料，且具有优异的电容性能和速率能力。此外，将蟹壳基生物炭材料与典型的赝电容活性材料CoFe₂O₄结合，开发了先进的混合超级电容器。结果表明，蟹壳基生物炭材料与CoFe₂O₄的质量比影响复合材料的电化学性质，最佳性能的一组蟹壳基生物炭材料在1A/g时具有701.8F/g的高比电容量。此法制得蟹壳基生物炭材料比电容数值高，但工艺较为复杂，应用难度较大。

柠檬酸钾(Potassium citrate)，又名枸橼酸钾、柠檬酸三钾，是一种无毒、易溶于水的柠檬酸盐，使用此种试剂作为添加剂具有成本低、无污染、环境友好且符合绿色化学理念等特点。并且在高温热处理的过程中，元素钾能够以单体钾蒸汽的形式分解出来对蟹壳基生物炭材料的表面及内部进行刻蚀、造孔。因此考虑使用柠檬酸钾作为添加剂有望提高蟹壳基生物炭材料的比表面积与孔体积，并增强其电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蟹壳基生物多孔炭材料及其制备方法，具体是一种成本低、制备工艺简单的以蟹壳为前躯体，一水合柠檬酸钾为添加剂的生物多孔炭材料的制备方法。

其中制备蟹壳基生物多孔炭材料须经过两步高温热处理。

其中制备蟹壳基生物多孔炭材料所用的添加剂是柠檬酸钾。

其中制备蟹壳基生物多孔炭材料所用的蟹壳原料与添加剂柠檬酸钾质量比为1:1、1:3、1:5，其中优选比例为1:3。

其中制备蟹壳基生物多孔炭材料所用的原料蟹壳在高温热处理前须进行粉碎处理。

其中制备蟹壳基生物多孔炭材料第一步高温热处理温度为500℃。