[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

说明书

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。该方法为：收集废弃水葫芦生物质进行洗涤、干燥、研磨成粉，并进行钢筛筛分；将生物质碎屑与碱性溶液进行充分的混合，干燥；将得到的产物进行粉碎，然后在管式炉中进行热解碳化，得到了多孔碳材料。该碳材料具有蜂窝状的多孔结构、高的比表面、丰富的多种杂原子，改多孔碳材料可广泛用于水资源净化、二氧化碳的固化、及锂离子电池的负极等材料领域。该方法环境友好、原料丰富、合成方法简单、容易实现工业化生产，且材料具有蜂窝状多孔结构、固有的多种杂原子、高的比表面积和良好的稳定性。将废弃水葫芦生物质转化为多孔生物炭，无论是对环境安全和能源储存都具有商业价值和现实意义。

技术领域

本发明属于环境能源领域，涉及用于锂离子电池负极材料的高比表面积的富含杂原子的多孔碳材料，特别是指一种基于废弃水葫芦生物质基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法及其应用。

背景技术

环境污染和能源短缺问题一直是科学家研究的热点和难点。在每天的生态循环过程中都会产生大量的废弃生物质，如果处置不当的话，将会造成了严重的资源浪费和环境污染。诸如，水葫芦是一种外来植物普遍存在于各种水体中。然而不幸的是，水葫芦高的再生率和不受控制的增长给生态系统造成了不可估量的危害，如，渔业、航业及水体中营养元素的平衡等。目前，水葫芦主要通过物理打捞处理，而打捞后废弃的水葫芦处理往往会造成环境的二次污染，而且也是资源的进一步浪费。因此，基于变废为宝的理念将废弃的水葫芦生物质转变成有用的产品是急需的且具有重要的挑战。

生物质衍生的多孔碳材料，由于其优异的理化性质(诸如，高比表面积、表面易修饰、良好的导电和导热性能、高机械稳定性、耐高温、耐酸碱等特点)而备受国内外研究人员关注，并且已成功地应用于环境修复领域中。近年来，尤其生物碳的多孔性、高稳定性及良好的导电性能等特点，越来越多的研究者开始关注生物碳材料在能源的储存和转化方面的应用。然而，水葫芦作为一种可再生可持续的生物质材料，其衍生的生物碳材料在能源的储存和转化方面的应用却鲜有报道。

可充电锂电池因其能量密度高、循环寿命长、生态友好、安全等优点越来越受到储能设备的重视。商业石墨碳其高的循环稳定性和低工作电压(相对于Li/Li+)而被广泛用作锂离子电池的负极材料。但是，由于商业石墨碳在锂离子电池中的理论比容量(372mAh g^-1)较低，倍率性能差，从而极大地限制了锂离子电池在纯电动汽车和混合动力汽车中的应用。众所周知，多孔碳材料在锂离子电池中表现出较高的比容量和良好的速率性能。另外，生物质衍生的多孔碳材料本身含有的杂原子(如：O、N和S等)能增强电子的传输特性及化学反应活性，进而提高材料的电化学性能。因此，利用可再生可持续废弃生物质开发富含杂原子的多孔碳具有重要的实际意义。同时，这也实现了废弃物的高效利用，使其得到环境和能源问题的共同解决。

发明内容

基于变废为宝的理念，本发明的目的在于提供一种应用于锂离子电池负极材料的多孔碳材料的制备方法，上述多孔碳材料其锂离子电池的电化学性能优于商业石墨碳材料，上述多孔碳材料的制备原料丰富且易工业化生产，上述多孔碳材料具有多孔结构、高比表面积、富含杂原子(N、O、S)等优点。本发明是将碳源与激活剂进行充分融合后，再经过高温热解，酸洗除灰分，干燥，获得一种多孔结构富含杂原子的多孔碳材料，其材料可作为能源存储材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种水葫芦基蜂窝状含杂原子多孔碳的制备方法，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；