[发明专利]一种基于毛竹水热炭化的铁修饰炭微球/炭纳米片复合多孔炭的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于毛竹水热炭化的铁修饰炭微球/炭纳米片复合多孔炭的制备方法，首先将生物质原料毛竹粉碎成粉末后筛分并干燥；其次将粉碎后的毛竹原料、硫酸铁和超纯水均匀混合后进行水热处理，待反应结束自然冷却至室温后抽滤，用无水乙醇及超纯水洗涤去除杂质并烘干，得铁修饰炭微球/炭纳米片复合水热炭；然后将所述复合水热炭与活化剂混合后在研钵中充分研磨后置于管式炉中，在惰性气体氛围中进行高温活化，待自然冷却至室温后，将所得到的材料经酸洗、水洗、烘干即得超级电容器用铁修饰炭微球/炭纳米片复合多孔炭。本发明所制备的铁修饰炭微球/炭纳米片复合多孔炭具有独特的形貌，在多孔材料和超级电容器领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及生物炭材料的制备及超级电容器和电池等新能源储能器件技术应用领域，尤其涉及一种基于毛竹水热炭化的铁修饰炭微球/炭纳米片复合多孔炭的制备方法及其应用。

背景技术

全球经济日益增长对化石燃料需求和消费量的不断增加已造成严重的生态环境破坏。因此，迫切需要探索和设计可持续的储能系统。超级电容器作为强大和先进的储能系统之一，被认为是适用于存储可持续资源能量(风能，水能，太阳能)的新一代设备。相较于锂离子电池，超级电容器具有快速的充电/放电动力学、出色的循环稳定性和高功率密度，已广泛应用于电动汽车、通讯设备、便携式设备、固定式储能等领域。然而，较小的能量密度限制了其更广泛的应用。迄今为止，研究人员致力于新型电极材料(尤其是炭基电极)的开发，以期望制备具有高比电容和能量密度的超级电容器。然而，目前具有较好性能的电极材料的合成策略往往受限于价格高昂的原材料(石墨烯，CNT，碳纳米管等)或复杂的制备过程(软模板法、硬模版法等)。鉴于此，以可持续生物质为原料，通过简便和绿色的方法制备高性能炭电极的策略具有更高的实际应用价值，同时也更适用于工业化生产。

目前的研究广泛通过“预炭化+活化”的策略由生物质制备多孔碳(PorousCarbon，PC)电极材料。通常，预炭化意味着高温下的热解(300℃)，而活化过程往往采用KOH、ZnCl₂等强腐蚀性或有毒的化学试剂。相较于高温热解，水热炭化(HydrothermalCarbonization，HTC)条件温和(160～260℃)且适用于各种原料(动物粪便，木质纤维素生物质，污水污泥等)。此外，水热炭化过程中形成的特殊形态和丰富的含氧官能团有利于多孔炭产物获得更好的电化学性能。例如，文献1(ChemElectroChem,2014,1(12),2138-2145.)中，Sevilla等人通过“热解+KOH活化”策略由葡萄糖制备的多孔炭电极，在0.1A/g的电流密度下电容值为220F/g，而通过“HTC+KOH活化”策略制备的多孔炭电极在0.1A/g的电流密度下显示出240F/g的电容值。文献2(J.Power Sources,2014,268,584-590.)中，Fan等人通过HTC预处理和化学活化的方法由角叉菜胶合成微孔-介孔炭微球，这种多孔炭微球电极材料经过条件参数优化后可以实现出色的离子迁移动力学，并在1A/g的电流密度下展现出230F/g的电容值。更进一步的，基于“HTC+化学活化”的策略，研究人员制备了杂原子掺杂的多孔炭电极材料，展现出更好的电化学性能。例如，文献3(J.Colloid Interface Sci,2019,548,322-332.)中，Liu等人通过木纤维基水热炭的KOH活化(活化过程中添加三聚氰胺作为氮源)合成了氮掺杂多孔炭，该电极材料在0.5A/g的电流密度下表现出345F/g的高电容值。然而，上述策略均忽略了HTC相对于热解预处理的另一个优点，即：在HTC过程中添加催化剂和掺杂剂能够一步完成水热炭形貌调控及元素掺杂，这可能是提高多孔炭电极材料电化学性能的另一种有效方法。同时，所述制备方法中使用的高腐蚀性KOH往往会破坏水热炭在HTC过程中形成的的特殊形貌，不利于材料的电化学性能提升。此外，过渡金属(铁，锰等)比杂原子(氮、硫等)具有更大的赝电容。因此，我们探索了一种新的方法期望解决上述问题。该策略选择硫酸铁作为HTC过程中的催化剂和掺杂剂制备了Fe修饰水热炭，随后使用绿色且弱碱性的碳酸氢钾作为活化剂，以维持所得水热炭的特殊形貌。