[发明专利]一种稀土复合生物质基电容炭材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种稀土复合生物质基电容炭材料的制备方法，本方法采用稻壳、稻草、秸秆、铁树叶、竹类为原料，采用化学活化法，经过低温炭化，碱液低温浸渍、碱液刻蚀活化、稀土高温复合的方法制备稀土复合电容炭材料。通过掌握稀土离子或者稀土化合物的作用机理，采用微量的掺杂复合，对电容炭材料进行改性，进一步提高电容炭的比电容、循环寿命等性能。最后，通过最大化利用稀土材料的优势，降低成本，使其在未来储能领域方面的应用前景更加广阔。本发明以储量丰富、廉价易得的农、林业废弃生物质资源为原料，对生物质资源进行合理利用，对于稳定农业生态平衡、改善能源结构、减轻环境压力都具有十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种稀土复合生物质基电容炭材料的制备方法，属于生物质功能材料领域。

背景技术

随着人类社会的日益发展，对化石资源的消耗已经达到了极限，已经导致了严重的环境污染和不可再生资源的枯竭。大力开发绿色可再生能源，是解决人类社会和谐可持续发展的首要课题。而风能、水能、太阳能、潮汐能等绿色可再生能源都存在着地域限制、不连续、不稳定和不容易控制等问题。因此，需要大力发展新能源技术和高性能储能器件来解决这一矛盾，而实现能源的有效存储和利用成为可再生能源应用的关键。超级电容器作为一种新型的电化学储能器件被广泛关注研究。它具有充电时间短、储量大、高功率密度、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，在航天工程、电子电气等领域具有极其重要的应用。但超级电容器能量密度较低、应用成本高、稳定性和比电容等性能还需要进一步提高。超级电容器电极材料对其性能起决定性作用，因此，加大对电极材料的研究是提升超级电容器性能的主要途径。

碳电极电容器电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。理论上讲，比表面积越大，容量也越大，但实际上通常只会提高质量比容量，而体积比容量会降低，而且导电性也下降。研究发现，大于2nm (水系)或5nm (非水系)的孔才对形成双电层有利，所以，在提高比表面积的同时要调控孔径分布。

植物在生长过程中需要通过根系和茎部吸收和运送养分。与植物运送养分物质相类似，在电化学储能过程中，这些孔道对电解质离子的储存和迁移起着重要作用。通过制备方法使这些运送养分的孔道保留、破壁重组在碳材料中对于提高其比表面积、电化学性能等具有重要作用。多孔炭材料的能量储存主要来源于基于电极和电解质之间的界面静电吸附的双电层电容。因原料的差异、制备方法的不同导致炭材料的孔隙结构分布、微观结构形态、表面官能团种类数量、比表面积、能量密度等性能千差万别，而这些性能均不同程度地影响着电容器及其循环特性。

稀土元素具有特殊的4f5d电子结构，其配位数的可变性(6~12)决定了它们具有某种“后备化学键”或“剩余原子价”的作用。因此，稀土材料作为一类具有特殊功能的材料始终伴随着储能的发展，在镍氢电池的负极储氢合金、正极添加剂，燃料电池的电解质、阴极、阳极，锂离子电池正极材料、超级电容器等领域具有很好的应用潜力。

碳源的选择对于多孔炭材料的制备同样重要。农业废弃生物质（稻壳、稻草、秸秆）和林业废弃生物质（松针、铁树叶、竹类）都是很好的选择，对生物质资源的合理利用，对于稳定农业生态平衡、改善能源结构、减轻环境压力都具有十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种稀土复合生物质基电容炭材料的方法，解决能量密度、循环稳定性、比电容的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种稀土复合生物质基电容炭材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）碳化：将生物质原料在80～120 °C条件下干燥24 h，然后进行机械粉碎，过100目的筛子，称取10～20 g生物质粉末置于瓷舟中，在管式炉中进行碳化，温度为200～600 °C，升温速率为10 °C/min，氩气作为保护气体，炭化时间为60～90 min，得到黑色炭粉末。