[发明专利]用于超级电容器的螺旋藻基碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的螺旋藻基碳材料的制备方法。所述方法按草酸钾与螺旋藻的质量比为1.5：1，将螺旋藻和草酸钾在水中搅拌至混合均匀，离心分离，收集沉淀物，冷冻干燥，然后将干燥产物先在空气氛围下，200℃下煅烧，再在N₂氛围下，500～800℃下碳化，得到三维多孔螺旋藻基碳材料。本发明制备的螺旋藻基碳材料经过草酸钾的简单搅拌，反应生成了更加有效的褶皱多孔碳结构，提供了丰富的活性位点和畅通的扩散通道，加快了电荷迁移速率，减轻了电化学储能过程中的体积效应，可作为电极材料适用于超级电容器中。

技术领域

本发明属于电极材料的制备技术领域，涉及一种用于超级电容器的螺旋藻基碳材料的制备方法。

背景技术

随着消费类电子产品、电动汽车与脉冲技术的发展，使用寿命长、高库伦效率且能够快速充电/放电的超级电容器的需求量也越来越大。基于其能量储存机制，超级电容器可被分为两大类：双电层电容器和赝电容器。双电层电容主要来源于电极/电解质界面处离子吸附与脱离。碳材料由于其优异的导电性、可定制性和多功能性，已被广泛用作超级电容器的电极材料。

一般而言，碳材料前体通常来源于化石燃料的副产物，如煤，石油焦炭和沥青。同时，考虑到环境问题和经济利益，生物质作为新型绿色环境友好的天然碳材料前驱体，转化为的碳材料具有丰富的多孔结构，同时具有丰富的有益官能团与较高的导电性等优势。但是，生物质的纤维素和木质素之间的交联作用使得孔结构难以调节和设计，其衍生多孔碳材料具有相互连接的大孔，容易引起材料堆积、团聚而导致体积电容性能一般，限制了其应用。同时，文献(X.Liang,R.Liu and X.Wu,Biomass waste derived functionalizedhierarchical porous carbon with high gravimetric and volumetric capacitancesfor supercapacitors,Microporous Mesoporous Mater.2021,310,110659.)采用KOH、NaOH 和ZnCl₂等化学活化，制备过程面临着强腐蚀的化学试剂、低碳产量和复杂的制备工艺流程，限制了其大规模应用。文献(A.Gopalakrishnan and S.Badhulika，Effect ofself-doped heteroatoms on the performance of biomass-derived carbon forsupercapacitor applications， J.Power Sources,2020,480,228830.)通过向前驱体中添加外来试剂(硫脲、磷酸、三聚氰胺和硼酸等)掺杂，将杂原子引入生物质中。这种外掺杂一般包含预碳化、活化、掺杂等多个步骤，制备过程复杂耗时且繁琐。这些方法通常涉及大量的能量消耗，繁琐的步骤和广泛的腐蚀，从而导致高成本和污染。因此，绿色简便且合理诱导形成多孔结构的活化方法将促进生物质碳的实际应用。目前尚无将螺旋藻作前驱体经草酸钾活化而制备超级电容器用活性碳材料的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超级电容器的螺旋藻基碳材料的制备方法。该方法将天然圆柱状的螺旋藻，与活化剂草酸钾充分搅拌混合培育，先在空气气氛中进行煅烧定形，然后在氮气气氛中进行碳化，最后经清洗、干燥，得到保留圆柱状的多孔活性碳。

实现本发明目的的技术方案如下：

用于超级电容器的螺旋藻基碳材料的制备方法，利用螺旋藻自身在弱碱性溶液中生存最佳的性质，以草酸钾为活化剂，充分混合，空气煅烧下保留螺旋藻天然的形貌，包括以下步骤：

步骤1，按草酸钾与螺旋藻的质量比为1.5：1，将螺旋藻和草酸钾在水中搅拌至混合均匀，离心分离，收集沉淀物，冷冻干燥；

步骤2，将步骤1的产物先在空气氛围下，200℃下煅烧1～3h，再在N₂氛围下，500～800℃下碳化2h，清洗，干燥，得到三维多孔螺旋藻基碳材料。

优选地，步骤1中，搅拌时间为24h。