[发明专利]一种基于壳聚糖的碳电极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种基于壳聚糖的碳电极材料的制备方法，是将壳聚糖，抗坏血酸，FeCl₃加入二次水中，在80~90℃下搅拌直至形成均匀的低粘性红棕色溶胶，干燥，即得到碳前驱体材料；将前驱体材料在氮气气氛中进行两步退火处理，即可得到碳电极材料。本发明以壳聚糖作为碳源，FeCl₃作为制孔剂，抗坏血酸作为还原剂，Fe³⁺与壳聚糖和抗坏血酸之间能够形成稳定的化学键，有利于形成丰富的孔结构，从而有利于高比电容的形成。本发明制备方法简单，易于操作，原料来源广泛、价格低廉、绿色环保且利用率高，制备的碳电极材料石墨化程度高，且显示出较高的比电容和良好的倍率性能，可应用于超级电容器、电池等柔性能量转化和存储器件。

技术领域

本发明涉及一种碳电极材料的制备方法，尤其涉及一种基于壳聚糖的碳电极材料的制备方法，属于生物质材料和电化学材料制备领域。

背景技术

随着全球经济和人口激增等问题的出现，能源短缺和环境污染问题一直是人类面临的挑。这些问题的加剧使得电能代替石油是一种必然的趋势。近年来，超级电容器(SCs)作为一种很有前景的储能设备受到了人们的关注，与锂离子电池相比，它具有更快的充放电周期、更高的功率密度，既具备传统电池的高储能能力又有传统电容器的高供电能力，弥补了传统电容器与电池之间的差距，被视为理想的电化学储能设备。

对于SCs而言，电极材料对其性能起着关键性的作用。根据不同的储能机理可将超级电容器的电极材料分为两类：（1）以碳材料为主的双电层电极材料（2）以过渡金属(氢)氧化物和导电聚合物为主的赝电容电极材料。常见的碳基电极材料主要有：活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、模板碳、多孔碳等。其中多孔碳材料以孔隙结构丰富、比表面积大、稳定性好、原料来源广泛、价格低廉、制备工艺简单且绿色环保等优点，受到研究者的广泛关注。然而，多孔碳材料属于双电层储能机理，大多数使用生物质衍生碳材料的研究具有低的比电容或较差的倍率性能，同时得到的电极材料石墨化程度低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有高比电容、良好倍率性能和较高石墨化程度的基于壳聚糖的碳电极材料的制备方法。

一、碳电极材料的制备

（1）将壳聚糖、抗坏血酸、FeCl₃加入二次水中，在80~90℃下搅拌直至形成均匀的低粘性红棕色溶胶，在50~70℃下干燥10~12h，即得到碳前驱体材料。其中，所述抗坏血酸、壳聚糖、FeCl₃的质量比为1:1:1~1:2:4；所述壳聚糖、抗坏血酸、FeCl₃在二次水中的浓度为0.02~0.12g/mL。

（2）将前驱体材料在氮气气氛中进行两步退火处理，首先以3~5℃/min的速率升温至300~500℃，保持30~100min，然后再升温至700~900℃，保持100~180min，用HCl和二次水洗涤，50~70℃下干燥，即可得到碳电极材料。

二、碳电极材料的结构表征

1、场发射扫描电镜（FE-SEM）分析

图1a，b为本发明制备的碳电极材料在不同放大倍数下的场发射扫描电镜（FE-SEM）图片。从图中可以观察到碳电极材料是相互交联的类石墨烯纳米片层结构，且具有开放的孔道结构。

2、X衍射谱图（XRD）分析

图2为本发明制备的碳电极材料的X衍射（XRD）谱图。从图谱中可以看到，该材料在24.1°和43.3°处有两个衍射峰，分别对应于无序微晶面（002）和石墨型碳（100）晶面，表明该材料以无定形结构的形式存在。

3、拉曼（Raman）分析