[发明专利]一种利用无机熔盐水合物制得的木质生物质基多孔碳材料和制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种利用无机熔盐水合物制得的木质生物质基多孔碳材料，其制备步骤如下：将风干的木质生物质原料，与预热去离子水装入密闭的压力容器中充分混合，进行自水解预处理；过滤，洗涤；浸泡后自然风干，反复操作多次后，冷藏备用；配制0.1～6M的无机强酸溶液；配制成无机熔盐水合物溶液，将备用原料加入无机熔盐水合物溶液中，超声处理，冷冻，冻干处理；碳化处理，之后洗至中性，干燥，得到木质生物质基多孔碳材料。本发明制备过程简单，无需高温、高压等苛刻的条件，且本发明木质生物质基多孔碳材料作为超级电容器工作电极材料使用时，具有较大的比表面积、较好的介孔占比和较高的比容量。

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其是一种利用无机熔盐水合物制得的木质生物质基多孔碳材料和制备方法及应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型的储能设备，由于具有功率密度高、充放电速率快、循环使用寿命长(10万次)等特点，引起了广泛关注。其中电极材料作为超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器比电容量的重要因素。多孔碳材料由于其丰富的孔结构、比表面积，导电性好、以及良好的化学稳定性等优点，是商业化最早的超级电容器电极材料。其中，木屑、竹、藻类、柚皮等已经广泛作为碳电极原材料应用于超级电容器。关于这些碳材料的电化学性能，其比表面积大小和孔径分布情况起了决定性作用。而追求过大的比表面积会导致微孔结构的比例太高，不利于电容的形成。因为过小的微孔会导致电解质传输受阻，造成比表面积利用率大大降低。因此，通过对多孔碳材料孔径分布的调控，实现生物质基多孔碳材料作为超级电容器的电极材料，具有重要的意义。

相较于其他的木质生物质，碳化的木材不需要添加任何粘结剂或导电剂，即可以作为自支撑电极材料使用。这种优势得益于木材自身良好的多级、多孔的结构，以及碳化后可保持的良好机械强度和天然孔道结构。目前，木材作为一种可再生资源，广泛存在于自然界。由于树木不仅在沿着其生长过程方向具有很多竖直的孔道，其内部还具有许多微孔和介孔，这种特殊的结构有利于离子吸附和电子快速传输。因此，选用木质生物质构建高性能超级电容器的理想碳电极材料有其不可代替的优势。

目前，优化碳材料孔道结构的方法主要包括物理活化法、化学活化法、模板法等。上述方法不仅需要繁琐的准备工作和耗时的洗涤工序，而且有毒和腐蚀性试剂(KOH、H₃PO₄或HF)制约了其长久发展。而熔盐合成法以一种或数种低熔点的熔盐作为反应介质，在较低的温度和较短的时间内使用，具有工艺简单、盐易分离并且可重复利用等特点，符合目前材料研究领域的环保要求。但目前大多的处理方式多是通过将碳前驱体与熔融盐固体混合进行碳化，这种方式不仅碳产率比较低，而且熔融盐耗量大，不易控制，并且具体应用时常常需要再与其他聚合物等粘合剂混合使用。因此，本发明通过将自水解后的木质生物质与熔盐溶液混合浸渍，经冷冻干燥后，再进行高温碳化等一系列处理，最终得到木质生物质基多孔碳材料。经过自水解预处理后的木质生物质，由于部分半纤维素等组分被除去，其结构变得较为疏松。继续采用熔盐溶液处理，可在上述基础上进一步促进纤维素等组分的溶解，使木质生物质的结构变得更加疏松。通过控制不同比例的熔盐水合物与结构变得较为疏松的木质生物质反应，在后续的碳化过程中，经熔盐模板“刻蚀”作用和活化剂活化的双重作用，可实现对木质生物质基碳材料的形貌设计和孔道结构的优化，进而用作电极碳材料。

因此，为了合理利用木质生物质基自身天然优良的孔道结构，制备出用于电极材料的木质生物质基多孔碳材料，通过熔盐水合物对自水解预处理后的木质生物质原料充分活化和碳化，实现对其形貌和孔径结构的调控是十分必要的。

通过检索，发现如下几篇与本发明专利申请相关的专利公开文献：