[发明专利]一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用。尤其是基于次氮基三亚甲基三膦酸所构建的多功能膦酸生物质碳基复合材料的制备方法及其在用作超级电容器电极材料和重金属离子吸附分离中的应用。基于次氮基三亚甲基三膦酸活化‑功能化丹参方法得到多功能膦酸生物质碳基复合材料的制备方法。其相关制备方法实验操作简单，成本低廉，且该复合材料兼具备优异的电化学性能和重金属离子吸附性能，可有效提高材料的高效性和功能集约化程度，拓展材料的应用范围和领域，增强其产业化潜能。

技术领域

本发明涉及一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

当今世界能源和环境是人们非常关注的两大问题。一方面化石能源日益减少面临枯竭，而另一方面随着经济快速发展工业规模不断扩大，环境污染日益严重。为了有效解决这些问题，有效开发解决涉及能源和环境问题的多功能材料就有着非常重要的研究价值和社会生态意义。

在能源领域方面，新型能源主要以电能形式被储存和利用，如何充分利用电能成为被关注的热点问题，人们对于电源能量密度和循环性能的要求越来越高。超级电容器是一种新型绿色功率型储能元件，可广泛应用于太阳能能源发电系统、新能源汽车、电子产品、军事装备等诸多领域。超级电容器中工作电极的作用是储存电荷，电极材料是影响超级电容器生产成本和电容性能的主要因素之一，对于超级电容器电极材料的研究开发不仅有着重要的科学应用价值，而且对国民经济的发展也有重要意义。碳材料电极具有良好的导电性、高比表面积以及高化学稳定性，可以和电解质界面构成双电层结构存储电荷从而获得高的比电容，提高超级电容器的能量密度。传统的碳电极材料多由石油或煤焦炭等化石原料衍生而来，但随着社会经济的高速发展，人们对能源的需求日益增加，化石能源正面临枯竭，使得对绿色环保可再生能源的开发日益重要，采用生物质衍生碳材料来制备超级电容器碳电极材料越来越受到人们的重视。为了提高改善生物质衍生碳电极材料电容性能，需要对生物质碳材料进行活化处理，常用的活化剂有氢氧化钾、氯化锌、磷酸等。

另外在环境领域，随着工业规模的日益扩大，水体系中重金属离子对人类的身体健康和生态环境的危害越来越严重，有效地从工业废水中去除这些重金属离子已经成为环保领域中非常迫切的任务。吸附分离法作为一种重要的重金属去除方法，因其效果好、操作简单和成本低的优势在重金属废水处理中有着广泛的应用，相关高效吸附材料的开发引起了人们广泛的研究兴趣。

因此，开发一款优异电化学性能和吸附性能的新颖多功能材料是必要的。

发明内容

本发明针对上述现有技术相关研究内容上的空白，提供一种多功能膦酸生物质碳基复合材料及其制备方法。相关制备操作简单，成本低廉，且该材料兼具备优异的电化学性能和重金属离子吸附性能，该发明研究内容具有明显的创新性，以及重要的学术价值和社会效益。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：

一种多功能膦酸生物质碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将丹参和质量浓度为50%的次氮基三亚甲基三膦酸水溶液混合，密闭反应釜中160～210°C反应8～12小时，经洗涤、抽滤、干燥后，于管式炉中在氮气气氛600～800°C反应1～3小时，得到黑色粉末；

（2）将步骤（1）得到的所述黑色粉末分别用1mol/L盐酸和蒸馏水洗涤直至中性后对其干燥处理；

（3）将上述所得产物与质量浓度为50%次氮基三亚甲基三膦酸水溶液混合，于常压加热50～70°C反应20～28小时，再100～140°C反应2～6小时后用蒸馏水洗涤、干燥，即制备得到多功能膦酸生物质碳基复合材料。

优选的，所述步骤（1）中丹参和次氮基三亚甲基三膦酸水溶液的质量比为1.0 ：1.0～12.0。

优选的，所述丹参为粉碎过筛80目的丹参。