[发明专利]一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用

权利要求书

1.一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

A.废弃水葫芦生物质收集与前处理：将漂浮在河道中的废弃水葫芦进行收集，并用自来水洗去生物质表面附着的物质，弃去根系，茎叶自然风干；

B.干生物质粉碎：将步骤A得到的风干生物质用粉碎机进行粉碎，并进行钢筛筛分；

C.浸泡：将步骤B得到的碎屑加入至碱性溶液中，常温下搅拌浸泡一段时间，过滤得到材料滤饼，并在105.0℃的真空干燥箱中进行过夜干燥；

D.碳化：将步骤C得到的材料进行热解碳化，冷却至室温，得到水葫芦基生物碳材料；

E.除灰分：将步骤D得到的碳材料加入至酸性溶液中，在一定温度下回流除去KOH和材料本身含有的灰分物质，冷却至室温，进行过滤得到材料滤饼；

F.洗涤：将步骤E过滤得到的材料滤饼使用离子水进行多次洗涤；

G.干燥：将步骤F过滤得到的材料滤饼进行干燥，即得到蜂窝状含杂原子多孔碳(标记为HBC)。

2.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤B的具体步骤为：将水葫芦生物质利用粉碎机进行粉碎，并利用100目的钢筛筛分，取得粒径大小相差不大的生物质碎屑。

3.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤C中，所述的碱性溶液为氢氧化钾溶液，其溶液浓度为3.0～5.0mol/L，浸泡时间为12.0～24.0小时。

4.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤C中，水葫芦生物质碎屑与碱性溶液的充分融合，使氢氧化钾分子均匀的分散在生物质组织中，其中氢氧化钾溶液的浓度控制在3.0mol/L时，对生物碳结构中的孔隙均匀化较为重要。

5.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤D中所述的热解碳化是在管式炉中进行的，其热解条件是氮气气氛，碳化温度为500.0～700.0℃，碳化时间为3.0～5.0小时；所述氮气气氛中氮气流速为20.0～100.0ml/mol；碳化过程中的升温速度为10.0～15.0℃/min。

6.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤E中酸性溶液为硝酸溶液(HNO₃)，质量百分比浓度为10.0％～30.0％，回流温度为60.0～80.0℃，回流时间为6.0～12.0小时。

7.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤F中，洗涤是指将酸洗涤过的碳材料在室温条件下用去离子水进行洗涤处理。

8.根据权利要求1所述的一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，其特征在于，步骤G中，所述干燥是指洗涤过的材料滤饼经95.0～105℃下进行真空干燥24.0～48.0小时。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到一种蜂窝状含杂原子的多孔碳，其特征在于，所述多孔碳材料中含有的杂元素质量含量分别是N2.94％～3.42％、O13.33％～20.82％和S0.81％～0.83％；所述多孔碳的矩阵中形成了相互穿插的孔道和空穴，而且所述孔道分布均匀，这样的孔隙结构类似于蜂巢结构。

10.根据权利要求9所述蜂窝状含杂原子的多孔碳用作锂离子电池的负极材料，其特征在于，所述锂离子电池从上到下先分别由正极壳(1)、垫片(2)、极片(3)、隔膜(5)、金属锂片(6)和负极壳(7)叠加而成；其中隔膜(5)与金属锂片(6)之间滴加有电解液(4)；所述隔膜(5)与金属锂片(6)之间滴加有电解液(4)；所述电解液为LiPF₆溶解在体积比为1:1的碳酸乙烯和碳酸二乙酯溶液中；所述隔膜为Celgard 2325微孔膜；所述极片为水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳：聚偏氟乙烯：石墨炔按照质量百分比为70％:20％:10％混合而成；所述锂离子电池首次充放电比容量为1131.0/697.0mAh g^-1，其倍率性能在电流密度为3000.0mAg^-1可达到235.0mAh g^-1，循环200次放电容量约为720.0mAh g^-1。