[发明专利]一种生物油轻质馏分基面包状多孔活性炭及其制备方法和用途

说明书

本发明提出了一种生物油轻质馏分基面包状多孔活性炭及其制备方法和用途，选取生物质快速热解耦合分子蒸馏制取的轻质馏分作为前驱体；将活化剂直接与轻质馏分混合、搅拌获得均质液体；然后将该均质液体在惰性气氛下进行二阶温度的一步碳化与活化；在活化结束后，将所得固体洗涤抽滤，除去活化剂反应产物及杂质，再进行干燥，可得到用于超级电容器电极碳材料的活性炭。本方法充分利用所得轻质馏分富含水、酸类、酮类、醛类、单酚类物等小分子化合物，小分子化合物和水能与活化剂发生交互作用，并有效降低活化剂的使用量；制备的活性炭宏观上具有多孔面包状结构且密度小、比表面积大、孔隙均匀，可有效提高超级电容器的比电容、功率密度和能量密度。

【技术领域】

本发明涉及生物质热解生物油分子蒸馏轻质馏分高值化利用领域，特别是一种生物油轻质馏分基面包状多孔活性炭及其制备方法和用途。

【背景技术】

活性炭(AC)因其较大的比表面积和具有与离子尺寸非常匹配的孔隙度常作为双电层超级电容器(EDLC)最常用的电极材料。以生物质为碳源制备的活性炭因兼具较高的导电性、水系及有机电解液中的化学稳定性、低成本以及来源丰富等优点，是当前碳材料优选之一，在超级电容器等领域具有非常好的应用价值。

在常规制备活性炭的过程中活化剂与前驱体通常是在“固固”、“固液”、“固气”状态下混合，其中“固固”混合是指直接将固态的前驱体或未活化的粗炭与固态的活化剂通过机械力混合，如专利CN202010095842.5中将柚核粉碳化得到粗炭材料，粗炭材料与碱类活化剂(质量比为1～2:1～2)在研磨下混合，再活化制备得到应用于超级电容器电极碳材料，在机械力搅拌的作用下固态前驱体和固态活化剂只能在宏观上表现出均匀混合的状态，但是无法实现微观分子层面的均匀混合，从而需要显著增加活化剂的用量，而且最终的产物活性炭微观孔隙分布不均匀，多以介孔(2～50nm)、大孔(50nm)形式存在，不适合用作超级电容器的电极活性材料。

“固液”混合是指将固态的前驱体或未活化的粗炭与活化剂溶液混合，如专利CN201610300981.0中将固态生物质材料，如淀粉、木质素、玉米芯、稻壳、麦穗等与KOH(浓度为0.01～5mol/L)溶液混合后，经超声振动和搅拌得到改性前驱体，再经热干燥或冷冻干燥得到活化剂与前驱体的混合物，再经活化制备得到应用于超级电容器电极碳材料，以这种方式混合的前驱体与活化剂在干燥的过程中，活化剂会从水溶液中饱和析出，并以固体的形式出现在前驱体的表面，也无法在微观分子层面上实现均匀混合，并且会增加活化剂的用量。

“固气”混合是指将固态的前驱体或未活化的粗炭放到活化炉中，然后通入活性气体，如水蒸气、二氧化碳、空气、氨气等，如专利CN201810885112.8，以针叶材、阔叶材等生物质作为初级材料，经过第一、第二气体活化后制备得到应用于超级电容器电极碳材料，该类方法的活化过程中活性气体只与驱体的表面进行活化，活化过程中需要在800℃以上的高温环境下长时间持续通入大量活性气体，造成大量的能量消耗和活化气体的浪费，而且得到的活性炭孔隙分布不均，比表面积普遍低于1000m²/g，不适合作为超级电容器的电极活性材料。

前驱体与活化剂通过“固固”、“固液”、“固气”形式混合后再活化具有以下缺点：(1)活化剂无法与前驱体充分接触，导致混合不均匀；(2)由于活化剂与前驱体无法形成均匀的混合物，导致活性炭产物中的孔隙分布不均匀，孔径大小分布也不统一，广泛分布于介孔、大孔范围内；(3)使用大量活化剂，活化剂质量通常几倍高于前驱体质量，如专利CN201910824987.1基于竹笋壳的碳化材料与活性剂的质量比为1:3～5或者更高比例的活化剂。所以需要发明一种能使活化剂与前驱体均匀混合的方法，既降低活化剂的用量又可以制备孔隙分布均匀的活性炭材料。