[发明专利]一种熔盐处理烟草废弃物制备多孔碳材料的方法

说明书

本发明属于生物质资源化利用和材料领域，具体涉及到一种熔盐处理烟草废弃物制备电容性多孔碳材料的方法：（1）将烟草废弃物洗净、干燥、破碎；（2）将无机盐干燥并在惰性气体保护下升温至一定的炭化温度；（3）将原料颗粒浸没于熔盐中，炭化一定的时间；然后将产物于惰性气氛中冷却；（4）将产物依次用稀盐酸、去离子水和乙醇清洗和除杂，真空干燥后即得多孔碳材料，该多孔碳材料分别采用三电极测试体系和两电极测试体系于1 A/g电流密度下的比电容分别为142~178 F/g和78~137 F/g。本发明能够制备高附加值的碳材料，不仅能减少环境污染，又能增加经济效益，实现烟草废弃物资源化利用以达到变废为宝的目的。

技术领域

本发明涉及一种熔盐处理烟草废弃物制备多孔碳材料的方法，属于材料领域。

背景技术

多孔碳材料由于具有孔结构丰富、比表面积大、性质稳定、廉价易得，被广泛应用于吸附、催化剂载体(光催化、电催化)和超级电容器电极材料等领域。超级电容器具有快速充放电率、功率密度高、稳定性能好、循环寿命长等特点而备受关注，在电子、电器设备以及新能源汽车等领域有广泛的应用。

制备多孔碳材料的原料包括有机物、高聚物、煤、煤焦油以及生物质。由于生物质可再生、来源广泛而且存在独特的三维结构，因此，可以利用生物质的自模板法制备生物质基多孔碳材料。烟草废弃物中的烟草秸秆(烟秆)、烟梗(叶脉)和烟末等富含纤维素、木质素、半纤维素等成分。烟秆中的纤维素含量达38％～45％，纤维素、木质素和半纤维素三者的比例约为4:3:3。烟草废弃物炭化后可以制备高附加值的多孔碳材料，不仅能减少环境污染，又能增加经济效益，实现烟草废弃物资源化利用以达到变废为宝的目的。

通常，以生物质为原料制备碳材料的方法包括高温热解法和水热炭化法。高温热解是指在惰性气氛(或贫氧条件)下，将生物质以一定的加热速率加热到350～700℃，使得生物质中的分子发生分解产生焦炭的过程。水热炭化法是将生物质在150～350℃水溶液中脱水脱羧的加速煤化过程。为了获得更高的比表面积和性能，上述两种方法制备的碳材料还需要进一步活化(包括物理活化和化学活化)，物理活化法是利用二氧化碳和水蒸汽等为氧化剂在600～1000℃进行活化；化学活化法是利用HNO₃、H₂SO₄、H₃PO₄、KOH、NaOH、NiCl₂和ZnCl₂等为氧化剂在400～900℃进行活化。相较于化学活化法，物理活化过程中由于活化剂会与碳反应，将降低产物收率。此外，由于化学活化法处理步骤复杂，活化剂价格比较昂贵、消耗量大、回收困难等，寻求活化剂回收以及与产物分离容易的工艺是发展的方向。

尽管通过高温热解和水热炭化的生物质炭的表面具有丰富的含氧官能团，不仅有助于提高碳材料与溶液介质的润湿性而且能增大对极性污染物的吸附性能，但是过量的官能团会导致碳材料中的有序结构大大降低，一般呈无规则结构，使得其作为超级电容器电极材料的循环性能产生不利的影响。另外，活化后的材料具有丰富的比表面积、发达的孔隙结构、孔径分布窄等特点，有助于提高材料的吸附性能，但是也将导致材料的导电性能降低，使得这种碳材料直接应用于催化、电池、电容以及储能领域受到一定的限制。

目前，以烟秆为原料制备孔隙结构发达的碳材料的工艺大部分是先进行高温热解，然后再进行活化的流程，此外，还借助微波辐射热解(夏笑虹等,化学学报,2011,69:2627；彭金辉等,林产化学与工业,2002,22:85；张利波等,化学工程,2007,35:67；张利波等,化工进展,2006,25:415；张利波等,安全与环境学报,2004,4:51.)。与传统的加热工艺比较，尽管微波辐射工艺效率较高、操作方便、活化时间缩短、能耗低，但是制造规模化生产的大功率微波设备存在一定的困难而且费用昂贵，目前微波工艺目前处于实验室阶段。