[发明专利]一种生物质碳超级电容器电极材料的制备方法及应用技术

说明书

本发明公开了一种基于生物质碳材料超级电容器电极材料的制备方法及其应用。该活性生物质碳材料的制备方法，包括以下步骤：1)将香蕉皮洗涤，干燥，得干燥香蕉皮；2)将干燥香蕉皮加热进行碳化；3)将碳化后的产物与活化剂混合，然后再加热进行活化；4)将活化后的产物洗涤，干燥，得到多孔活性生物质碳材料。同时也公开了该活性生物质碳材料在超级电容器中的应用。本发明利用废弃香蕉皮原料，通过简单易行办法制备出具有高比表面积、高表面活性的新型生物质碳材料；将此碳材料制成电极，进行学电化学性能表征，表现出优异的比电容和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于生物质碳材料超级电容器电极材料的制备方法及其应用。

背景技术

通过调节碳材料的孔经结构和比表面积可以有效的提高电极材料电化学性能。目前广泛采用且有效的方法是通过模板法。硬模板法主要用硅基作为硬模板，具有材料形貌精确可控的优点。但是，该方法合成和去除模板的过程较为复杂，且制备过程会使用一些有毒的药剂，不适合大规模生产。另一种方法是通过使用简单和廉价的盐，如氯化钠，氯化锌，氯化钾，碳酸氢钠、碳酸钾等作为模板制备电极材料。这类方法具有盐模板容易去除的优点，并且在碳化的过程非金属元素可以被有效固定，提高了杂原子在碳材料中的含量。

目前，采用生物质材料制备的碳材料多采用以下两类活化方式。一是水热活化：在高压反应釜中，将生物质材料浸泡于一定浓度的活化溶液中 (例如氢氧化钠溶液、硝酸溶液、硫酸溶液、氯化锌溶液等)，在一定温度和压力下发生化学反应，反应产物经过进一步处理后再进行碳化。二是高温条件下碳化和活化同时进行：将预碳化（或者原材料）的生物质材料与一定质量比的金属盐 (氯化锌、氢氧化钾等)进行混合，然后在惰性气体 (氮气或氩气)的保护下高温活化。也可以直接将预处理过的生物质材料置于管式炉中，通入含有氧气和二氧化碳的惰性气体，对碳化所得产物进一步活化，提高比表面积。

以上活化技术主要存在以下缺点：1、活化过程中需要用到较多贵重药品，污染大，产品产率低，对热处理设备腐蚀严重，制备的碳材料需要经过多次清洗处理方可使用，实际制备成本很高；2、以上方法基本上可以得到比表面积大且孔隙率好的碳质材料，但表面亲水性基团较少，在水系电解液中的比容量较低，也限制其实际应用。基于以上分析，我们以废弃生物质香蕉皮作为前驱体，ZnCl₂ 作为盐模板，制备出 BET比表面积较大和氮含量较高的多孔碳材料。在碳化的过程中ZnCl₂同时起到封固氮和活化造孔的作用。制备得到的氮掺杂碳材料表现出优异的电化学性能和循环稳定性，为垃圾废弃物资源化和循环利用提供了一条新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活性生物质碳材料的制备方法及其应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种活性生物质碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将香蕉皮洗涤，干燥，磨粉得到预处理香蕉皮；

2)将预处理香蕉皮加热进行预碳化；

3)将碳化后的产物与活化剂混合，然后再加热进行活化；

4)将活化后的产物洗涤，干燥，得到活性生物质碳材料。

步骤1)中，预处理条件为室温下大气环境中进行。

步骤1)中，香蕉皮的粒径为0.1～2mm。

步骤2)中，碳化的具体条件为：升温速率为1～5℃/min，温度为450～600℃，碳化时间为2～3h，碳化在惰性气氛下进行。

步骤3)中，碳化后的产物与活化剂的质量比为1：(3～5)。

步骤3)中，活化剂为氯化锌、氢氧化钾中的至少一种。

步骤3)中，活化的具体条件为：升温速率为1～5℃/min，活化终温为750～950℃，

活化时间为2～4h，活化在惰性气氛下进行。