[发明专利]一种生物质多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质多孔碳材料及其制备方法和应用，该碳材料以多肉植物为原料，通过碱活化法制得的同时具有微孔和介孔分布的碳材料；通过将采集的多肉植物叶片洗净、干燥并粉碎后，在充满惰性气体的管式炉中在高温下煅烧，得到固体碳化产物，再将活化剂与得到的碳材料充分混合静置，在惰性气体氛围下进行第二次碳化，制得一种孔结构丰富的多孔碳材料。本发明制备的生物质多孔碳材料有超高比表面积，结构稳定，性能优异，有效解决了现有碳材料容量低，生产工艺复杂的问题，另外利用多肉植物为原材料，解决了碳材料成本高的缺陷，可用于吸附气体和电化学能转换/储存装置，实现多孔碳材料的大规模制备与应用。

技术领域

本发明属于生物质碳材料制备，尤其涉及一种以多肉植物为原料制备的多孔碳材料及方法。

背景技术

纳米多孔碳材料因其成本较低，导电性好等优点被广泛应用于锂离子电池、超级电容器的制备。除此以外，具有较高比表面积以及高微孔率的多孔碳材料，在吸附、催化等领域也有着广泛的应用。

目前，多孔碳材料的来源主要是人工制造和天然植物炭化。然而，人工制造的多孔碳材料通常具有约1000m²/g的低比表面积，这限制了其用于超级电容器的性能，且人工制造多孔碳技术普遍存在制备工艺复杂、成本较高等问题；天然植物炭化主要采用生物质材料进行，生物质材料具有来源广、种类多以及成本低等优势，且生物质内部本身的孔道结构，相比于普通活性炭材料，有助于提供更多的有效表面积，但是现有的例如利用花生壳，椰壳等作为原材料制备的多孔碳材料，由于孔型失配等原因，离子的传输速率较慢。因此如何从生物质材料的生存环境出发，选择具有发达孔道结构的生物质原材料，从而得到具有超高比表面积，能使离子快速扩散的优异多孔碳材料，从而进一步实现多孔碳材料的大规模制备与应用是目前需要解决的主要技术问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种具有超高比表面积，能使离子快速扩散的生物质碳材料；本发明的第二目的在于提供上述生物质碳材料的制备方法；本发明的第三目的在于提供所述生物质碳材料在吸附气体和电化学能转换/储存装置中应用。

技术方案：本发明的一种生物质多孔碳材料，该碳材料以多肉植物为原料，通过碱活化法制得的同时具有微孔和介孔分布的碳材料；所述碳材料的比表面积为2000~3200m²/g。

进一步的，所述多肉植物包括仙人掌科、景天科、番杏科、大戟科、萝藦科、独尾草科和龙舌兰科中的任一种。

上述的方案中，由于多肉植物器官的含水量可达90-95%，因此多肉植物的茎、叶和根中有大量的薄壁组织来储存水分，以维持在干旱环境中生存。当水分供应充足，多肉植物会表现出明显的体积膨胀，多肉植物由于在细胞壁之间有良好的转移通道而倾向于快速吸附水分子，可利用此来制备碳化电极，以增强热电转换系统中离子的嵌入和传输。此外，多肉植物还具有较高的含氧量和一定的含氮量，碳化的生物材料可以继承氧和氮，从而提高最终碳材料的电化学性能。多肉植物相对于传统的生物质材料如椰子壳、稻壳等相比，由于自身生长环境从而导致了其内部具有发达的孔径分布，具体为微孔和介孔共同分布，可以满足各类离子的传递，由于微孔的存在也增大了材料的比表面积，具体为500~2500 m²/g。

本发明还保护所述的生物质多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）取多肉植物叶片，洗净、干燥，然后粉碎成粉末；

（2）保护气氛下，将叶片粉末在管式炉中升温至碳化温度，进行第一次碳化，获得固体碳化产物；

（3）将步骤（2）得到的固体碳化产物与KOH混合在去离子水中，在室温下静置，在保护气氛下，升温至碳化温度进行第二次碳化，得到活化混合物；

（4）将活化混合物置于盐酸中，搅拌、洗涤、干燥，获得生物质多孔碳材料。

进一步的，所述步骤（1）中，所述干燥过程为冷冻机干燥，干燥时间为28~32 h。