[发明专利]一种利用生物质废料作为活化剂制备杂原子掺杂多孔碳的方法

说明书

本发明涉及一种利用生物质废料作为活化剂制备杂原子掺杂多孔碳的方法，属于多孔碳材料制备技术领域。本发明制备杂原子掺杂多孔碳的方法，包括：取生物质废料，粉碎，作为生物质活化剂，将生物质活化剂与木质类生物质原料充分混合，得混合物，将混合物在保护气体氛围下进行碳化处理，再冷却到室温，得杂原子掺杂多孔碳。本发明利用含有丰富金属离子、有机酸和/或有机碱的生物质废料作为活化剂，来制备生物质原料衍生的杂原子掺杂多孔碳，获得了分级多孔的杂原子掺杂碳材料，且产率非常高，没有使用任何的化学试剂，因此本发明是一种绿色的、高产的、简单的杂原子掺杂多孔碳的生产方法。

技术领域

本发明涉及一种利用生物质废料作为活化剂制备杂原子掺杂多孔碳的方法，属于多孔碳材料制备技术领域。

背景技术

对于现代社会，多孔碳材料是一种重要材料。由于其具有优异的导电性、化学稳定性和多孔性，使其在空气净化、污水处理、传感、能量存储转换，以及生物医药方面都有着广泛的应用。近些年由于传统化石燃料的消耗和电子产品的爆发式增长，进一步使多孔碳材料在能源应用方面的需求急增，例如碳基超级电容器的发展。因此，对于碳材料的制备有了更高的要求，简单、高产的生产多孔碳材料就成为了目前最重要的研发方向之一。因为天然生物质有着巨大的储量和可再生性，同时价格相对低廉，所以利用天然生物质来制备多孔碳材料是大量生产碳材料的一个重要途径。

以生物质制备多孔碳材料，不仅要考虑如何提升多孔性，而且需要优化其孔结构和掺杂一些有益的杂原子，此外产率也是一个至关重要的方面。然而，利用生物质制备多孔碳材料的研究几乎都集中在前三个方面，即增加比表面积、优化多孔结构和杂原子掺杂。

为了获得高的比表面积，通常需要增加化学试剂的使用量。而研究已经发现，多孔碳材料的实际电容与比表面积没有呈现出正比，因为大量使用化学试剂造孔在大多数的情况下只能获得微孔碳材料，而且具有高比表面积的微孔在实际应用中有很多是难以利用的，因此许多微孔对于电荷存储成为了无法利用的孔隙。同时，大量的使用化学活化剂不仅会带来一些污染的问题，同时会导致最终碳的产率极低。

进而，优化多孔结构成为了提升多孔碳材料储能容量的有效方式。分级多孔结构被认为是一种有前途的碳结构，因为这种结构有助于促进电解质离子的传输。为了获得分级多孔结构，在活化造孔过程中通常需要联合使用活化剂和模板。但是模板材料的使用不仅会导致整个制备成本上升，也会增加制备过程的复杂程度。此外，最终这些模板材料必须要被除去，这也有可能带来新的污染问题。而且每增加一个过程，就不可避免的导致一定碳材料的损失。

第三方面，杂原子(如硼，氮，硫和磷等)的掺杂可明显改变碳材料的电子和表面电荷特性，使碳材料储能性能提升。对碳材料进行杂原子掺杂，通常需要对已经制备好的多孔碳材料进行二次处理，或者直接使用含杂原子的前躯体。而这个方式同样是会增加制备成本和使制备过程复杂，含有杂原子的碳前躯体作为原料获得碳产率也是相对较低的。

碳的产率在多孔碳的实际生产中也是非常重要的，因为它直接决定了实际生产中的经济效益。然而，高的产率往往和上述三个方面是相互排斥的。因为添加化学活化剂和模板，或多的制备步骤过程都不可避免地会导致碳的损失。因此，如何在高比表面积、优异的多孔结构和杂原子掺杂的同时实现高产率就成为了一项巨大的挑战，而且这也是实际大量生产碳材料所一直期盼的。

综上所述，现有研究中为了形成多孔结构几乎都会使用化学活化剂，尽管其具有很好的造孔作用，但是它们反应剧烈，对碳成分的消耗巨大，且对环境不友好、功能单一。因此，通过传统的化学活化剂来实现简单步骤制备杂原子掺杂的分级多孔碳就具有很大的难度，进一步再获得高的产率对于传统化学活化剂是几乎不可能。因此，需要发明一种具有多重功能的活化剂，它不仅能够造孔，而且还能提供杂原子和提高碳产率。

发明内容