[发明专利]一种基于瓜皮的多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于瓜皮的多孔碳材料的制备方法，具体是以瓜皮为原料，在碳酸氢铵和尿素的辅助作用下，经分步碳化法制得。本发明简化了瓜皮的碳化过程，实现了瓜皮废弃物的高价值回收利用，变废为宝的同时减轻了环境污染，获得的多孔碳材料具有生物质多通道特征、表面疏松多孔、高比表面积及高化学活性，可应用于锂离子电池、超级电容器、化妆品及催化高化学活性载体多个领域。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种基于瓜皮的多孔碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

瓜皮果壳垃圾主要由各类瓜皮果壳等废弃食品组成，如果直接作为一般城市垃圾废弃或处理，不仅污染环境和增加城市垃圾的处理量，而且也造成这些废弃食品的浪费。目前也有人将这些垃圾直接作为饲料，但在储运过程中容易腐败变质，其中含有的病菌病毒等有害微生物还会感染被饲养的牲畜，进而给人造成危害。

瓜皮果壳中富含生物质碳，尤其是西瓜、冬瓜和丝瓜等季节性集中的瓜果，这些瓜果的瓜皮具有含水量大及水系通道整齐等特点，是制备生物质多孔材料的理想原料。但由于这些瓜果的瓜皮中富含水分、糖分、有机酸及多元醇等，导致其碳化过程比较复杂，难以把控。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于瓜皮的多孔碳材料及其制备方法与应用。本发明采用分步碳化法将瓜皮制备成具有生物质特征通道、多孔、高比表面积、高吸附能力及高化学活性等特性的多孔碳材料，使瓜皮的碳化过程简单、可控，实现了废弃物资源综合利用。

为实现其目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于瓜皮的多孔碳材料，其制备方法包括如下步骤：

(1)将瓜皮、碳酸氢铵和尿素放入坩埚中，将坩埚置于真空烧结炉内，抽空炉内空气，输入氮气，使炉内气压保持在1个大气压；

(2)升高炉内温度，对瓜皮进行第一步碳化，碳化温度不超过110℃；

(3)抽空炉内气体，输入氮气，使炉内气压保持在1个大气压；

(4)继续升高炉内温度，对瓜皮进行第二步碳化，碳化温度不超过365℃；

(5)抽空炉内气体，输入氮气，使炉内气压保持在1个大气压；

(6)继续升高炉内温度，对瓜皮进行第三步碳化，碳化温度不超过750℃；

(7)停止加热，待真空烧结炉冷却至室温后，将黑色产物取出，粉碎，即得所述多孔碳材料。

优选地，所述步骤(1)中，各原料的重量份分别为：瓜皮85～95份，碳酸氢铵3～7份，尿素2～8份。

优选地，所述瓜皮为西瓜皮、冬瓜皮或丝瓜皮。西瓜皮是葫芦科植物西瓜的外层果皮，冬瓜皮是葫芦科植物冬瓜的外层果皮，丝瓜皮是葫芦科植物丝瓜和粤丝瓜的果皮。上述瓜皮在日常生活中较常见，原料来源广泛。

优选地，所述步骤(1)中，各原料的重量份分别为：瓜皮95份，碳酸氢铵3份，尿素2份，所述瓜皮为西瓜皮。

优选地，所述步骤(1)中，各原料的重量份分别为：瓜皮90份，碳酸氢铵5份，尿素5份，所述瓜皮为冬瓜皮。

优选地，所述步骤(1)中，各原料的重量份分别为：瓜皮85份，碳酸氢铵7份，尿素8份，所述瓜皮为丝瓜皮。

优选地，所述坩埚为刚玉坩埚。

优选地，步骤(2)中，所述第一步碳化的过程为：先以1℃/min的速率将炉内温度升至36℃，保温20min；然后以0.5℃/min的速率将炉内温度升至60℃，保温30min；最后以2℃/min的速率将炉内温度升至110℃，保温20min。