[发明专利]一种来自半纤维素的立方状碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种来自半纤维素的立方状碳材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：1)将柚子皮切成块状，经洗涤后干燥，并研磨成粉末状，得到柚子皮粉末；2)将柚子皮粉末加入至碱溶液中，搅拌均匀后过滤，取上清液；3)将上清液调至中性，之后与乙醇混合后进行离心洗涤，再经干燥后得到半纤维素前驱体；4)将半纤维素前驱体与活化剂混合后进行高温煅烧，即得到立方状碳材料。与现有技术相比，本发明制备过程简单，一步法直接合成碳材料，有利于节约能源，所制备的生物质基碳电极材料呈现规整的立方结构，便于后续改性等操作，且原料从生物质废弃物柚子皮中提取，成本低廉，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，涉及一种来自半纤维素的立方状碳材料及其制备方法。

背景技术

生物质资源种类繁多，分布广泛，蕴藏量极其丰富且价格低廉，是一种非常重要的可再生资源，利用和开发生物质资源能达到可持续循环的目的。同时，生物质是天然存在的可再生碳元素的载体，将其转化为新型的功能碳材料加以利用，具有很大的发展空间。

纤维素是自然界中一种轻质、生物相容性好且柔韧性强的生物高分子材料，在柔性超级电容器、生物传感器以及电磁屏蔽等领域得到了广泛应用。在柔性超级电容器领域中，纤维素基材料的多羟基结构是电解质离子传导的良好介质，有助于提高电极材料的电容特性以及循环特性，并且易与导电活性材料(如：石墨烯、碳纳米管、导电高分子)通过涂布、共混、层层自组装以及原位聚合等方法构建导电框架以制备柔性电极材料。近年来，以生物质为碳源来制备碳材料逐渐成为研究热点。目前，生物质基碳材料的制备方法主要包括模板法、碳化法和水热法。根据碳材料的合成路径及作用原理不同，又可将模板法划分为硬模板法和软模板法。

然而，采用上述方法制备生物质碳材料的工艺往往存在前体材料不足、材料形貌不佳、制备过程复杂等问题，限制了其进一步应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种来自半纤维素的立方状碳材料及其制备方法，制得的生物质基碳电极材料呈现规整的立方结构，应用前景广阔。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种来自半纤维素的立方状碳材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将柚子皮切成块状，经洗涤后干燥，并研磨成粉末状，得到柚子皮粉末；

2)将柚子皮粉末加入至碱溶液中，搅拌均匀后过滤，取上清液；

3)将上清液调至中性，之后与乙醇混合后进行离心洗涤，再经干燥后得到半纤维素前驱体；

4)将半纤维素前驱体与活化剂混合后进行高温煅烧，即得到所述的立方状碳材料。

进一步地，步骤2)中，所述的碱溶液为KOH溶液。KOH溶液的浓度为5-7mol/L，优选为6mol/L。

进一步地，步骤2)中，所述的柚子皮粉末与碱溶液的质量比为1:(1-4)。柚子皮粉末溶于碱液主要是为了获得半纤维素。

进一步地，步骤2)中，所述的搅拌为磁力搅拌，搅拌温度为45-55℃，搅拌时间为10-15h。

进一步地，步骤3)中，所述的乙醇与上清液的体积比为(1.5-2.5):1。

进一步地，步骤3)中，干燥过程在真空干燥箱中进行，干燥过程中，温度为60-110℃，时间为6-12h。

进一步地，步骤4)中，所述的活化剂为H₃PO₄。活化剂可以形成碳材料表面物化性能和丰富的孔结构，因为活化剂会在纤维表面结晶，熔融，刻蚀碳体形成微孔，从而起到活化作用。

进一步地，步骤4)中，所述的半纤维素前驱体与活化剂的质量比为1:(1-2)。