[发明专利]基于毛豆壳衍生的活性碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了基于毛豆壳衍生的活性碳材料及其制备方法和应用，该材料毛豆壳为原料，KOH为活化剂，先将毛豆壳煅烧处理得到粗碳材料，再按比例将KOH和粗碳材料充分研磨混匀，然后进行二次碳化处理，最后经除杂、抽滤、干燥后制得活性炭材料。该方法成本低、原料来源丰富、操作简单处理方便、作用条件温和、产率高(15.6％)，适合大规模产业化生产。制备得到得活性炭材料具有多孔结构，其间充满了均匀分布的微孔和介孔，将其用做电容器电极材料，表现出优异的电化学储能性能，是良好的电极材料，进一步研发制备成超级电容器，在电化学储能领域拥有潜在、广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体涉及基于毛豆壳衍生的活性碳材料，还涉及毛豆壳衍生的活性碳材料的制备方法和应用。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，能源短缺和环境恶化日益凸显，化石资源的枯竭使得人们对于绿色可再生能源的需求更为迫切。但是，大多数的可再生资源，如太阳能、风能、潮汐能、水能和热能等都不同程度受限于地域或环境条件，不稳定的能量输出使其不能完全替代化石资源。绿色、环保、可再生能源成为了人们关注的重点。

超级电容器，或称电化学电容器，作为一种新型的能源存储装置，相较于传统锂电池及二次电池，超级电容器具有功率密度高、充放电速率快、循环稳定性好等优点，广泛应用在需求大功率输出，如起重机、汽车启动系统等各种储能领域。生物质来源广泛且储量丰富，能够加工转化成方便储存和使用的能源。因此，如何高效环保地将储量丰富的可再生生物质、生物废弃物等转化为功能性材料是掌握社会可持续性发展的核心技术。生物质作为一类天然大分子，无论从绿色发展还是电化学性能上都是极佳的碳前驱体。

毛豆属于豆科植物，其主要含纤维素、木质素，不饱和脂肪酸如亚油酸和亚麻酸等，毛豆普遍种植在我国的南北方各地，产量较高。毛豆作为自然原料既具有一定的药用价值，还可作吸附剂、复合型材料的原料等在各领域内的应用。毛豆壳具有多孔、管束状分层级孔道结构，本身的比表面较大，是优质的碳材料前驱体。目前，毛豆壳作为生物质废弃物主要用作肥料和燃料。以毛豆壳生物质为前体制备碳材料电极，并应用于超级电容器的研究鲜有报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于毛豆壳衍生的活性碳材料；本发明的目的之二在于提供所述活性炭材料的制备方法；本发明的目的之三在于提供所述活性碳材料作为超级电容器电极材料的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、基于毛豆壳衍生的活性碳材料，所述活性碳材料由毛豆壳衍生制得，比表面积为18.567-1798.330m²/g，孔径为2.015～8.670nm，孔体积为0.040～0.954cm³/g；优选的，比表面积为1120.404-1798.330m²/g，孔径为2.183～2.359nm，孔体积为0.554～0.954cm³/g；更优选的，比表面积为1798.330m²/g，孔径为2.183nm，孔体积为0.893cm³/g。

本发明中，毛豆是豆科植物中的大豆属，归属于真核域、被子植物门、双子叶植物。毛豆含脂肪约20％，蛋白质约40％，还含有丰富的维生素如维生素B族，又有非常高的钾、镁和铁元素含量，膳食纤维特别丰富，同时还含有皂甙、植酸、低聚糖、黄酮类化合物如大豆异黄酮、亚油酸、亚麻酸和卵磷脂等成分。利用毛豆壳作为原料，毛豆壳中含有类黄酮化合物、油脂脂肪酸类、蛋白质及其他矿物元素等成分，毛豆壳中的植酸成分，经碳化和碱活化后，植酸中的磷酸基团吸附在碳材料上，然后将钾、镁和铁等矿物元素吸附在磷酸基团上，可制备出掺杂特殊元素的活性碳材料，进而赋予活性碳材料更优越的性能。

本发明优选的，所述活性碳材料由毛豆壳碳化得到活性粗碳材料前驱体，再用酸去除杂质得到活性粗碳材料，接着用碱活化，最后调制pH值至中性，得到用于超级电容器的活性碳材料。