本发明专利技术提供了一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，是以生物质花椒籽为原材料，通过洗涤，干燥，研磨，活化，在氮气气氛中高温热处理，酸洗，再以有机分子有机分子1‑氨基蒽醌、2,3‑二氯‑1,4‑奈醌反应，得到机分子非共价键功能化的生物质碳复合材料。物理表征结果显示，本发明专利技术的产品具有较大的比表面积和丰富的多级孔道结构。电化学性能测试结果显示，本产品具有高的比电容，适合作为电极材料应用于超级电容器。
【技术实现步骤摘要】
一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备和应用
本专利技术涉及一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法；本专利技术还涉及该生物质多孔碳材料作为电极材料在制备超级电容器中的应用，属于生物质材料与电化学
技术介绍
超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能元件，因其能提供比传统电容器更高的能量密度，比电池更高的功率密度，可实现瞬间大电流放电，充电时间短，效率高，使用寿命长，绿色无污染，因此，被广泛应用于信息技术、电动汽车、航天航空和国防科技等多个领域。超级电容器根据其储能方式不同，可以分为：依靠在电极材料和电解液界面形成双电层来储存电荷的双电层电容器；依靠电极活性材料在充放电过程中发生法拉第氧化还原过程来储存能量的法拉第赝电容器。电极材料是决定超级电容器性能的最关键因素，主要分为以下三大类：碳材料、金属（氢）氧化物和导电聚合物。超级电容器电极的碳材料主要有多孔碳、活性炭、碳黑、碳纤维、玻璃碳、碳气溶胶、碳纳米管等。其中多孔碳材料因为其比表面积大，孔隙结构丰富，原料广泛，价格低廉，制备工艺简单，化学稳定性好，导电性好，绿色环保，可再生等的优越性能，而受到研究者的重点关注。但双电层多孔碳材料属于双电层储能机理，从而限制了它的比电容和能量密度。而有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料与传统的双电层碳材料相比，可以通过引入具有高度电化学活性的氧化还原官能团的有机分子，进而发生法拉第反应来改善电化学电容性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供上述有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料作为超级电容器电极材料的应用。一、有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备本专利技术有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末按1:1~1:6（优选1:3）的质量比混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min-1的速率升温至700~900℃，保持30~120min，然后冷却至室温，用0.5~1mol/LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；标记为A15。我国是花椒的第一大生产国，产量十分丰富。许多人都不知道，我们平时吃的花椒其实是花椒果实的外皮，花椒果实里边还有花椒籽，但是好多花椒籽被废弃填埋或者焚烧，随着花椒的开发利用，造成十分严重的浪费，而且还污染环境。采用花椒籽废渣制备生物质炭应用在超级电容器中，不仅实现了废物利用，还可以增加经济效益，且它还是一种环境友好型的可再生能源。花椒籽粉末与氢氧化钾混合，放入管式炉中，惰性气氛下加热，当活化温度超过973K时,K2CO3开始分解为CO2和K2O。碳基质中高微孔率的形成通常归因于化学活化（例如钾化合物与碳之间的氧化还原反应产生碳酸盐），物理活化（例如碳与CO2的气化）和金属K嵌入引起的碳晶格膨胀的协同结果。具体的反应如下：6KOH+2C=2K+3H2+2K2CO3(1)K2CO3=K2O+CO2(2)K2CO3=2C+K2O(3)K2O+C=2K+CO(4)（2）有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备：将上述制备的生物质碳材料分别与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌以5:1~5:5（优选5:4）的质量比溶解在丙酮中，搅拌反应10~12h，在70~80℃下干燥，即得有机分子非共价键功能化生物质碳材料，分别标记为H5、H15。二、有机分子非共价键功能化生物质碳材料的结构表征1、场发射扫描电镜（FE-SEM）分析图1a-d为本专利技术制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的不同放大倍数场发射扫描电镜(FE-SEM)图片。从图1中可以看出，生物质多孔碳材料是相互交联的多级孔道类石墨烯纳米片层结构。2、红外光谱图（FT-IR）分析图2分别为A15、H5、H15的红外光谱图（FT-IR）。从图2可以看出，有机分子非共价功能化生物质多孔碳（H5，H15）和生物质碳材料多孔碳（A15）的吸收峰的出峰位置几乎一致（可能是碳材料对红外线的高吸收性所致），但略有偏差，表明花椒籽多孔碳材料成功地被有机分子功能化。3、X衍射谱图（XRD）分析图3分别为A15、H5、H15的的X衍射谱图（XRD）。图3中，生物质碳材料多孔碳（A15）在角度为22°处均有一个宽的衍射峰，对应于石墨化碳的002晶面，表明该材料呈无定形结构。对于有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料，其保持了生物质多孔碳材料的谱图特征，这表明有机化合物是以分子的形式被固定在生物质多孔碳材料表面，因此复合材料中不存在有机小分子晶体。4、N2吸脱附分析图4为本专利技术制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的N2吸脱附曲线。可以看出，N2吸脱附曲线可归类于第I和IV曲线的结合。通过比表面积（BET）方法可计算得出A15、H5、H15的比表面积分别为1494.6m2g-1、265.4040m2g-1、343.6008m2g-1。有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的多孔结构可以通过图5中的孔尺寸分布曲线进一步确认。A15、H5、H15的孔体积分别为0.9696cm3g-1、0.2884cm3g-1、0.3329cm3g-1，生物质多孔碳材料A15和有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的微孔主要集中于0.93nm、1.09nm、1.18nm处，2~200nm处连续的孔分布是大孔和介孔的存在，这说明有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料是多级孔隙结构。三、电化学性能下面通过电化学工作站CHI660B对本专利技术制备的有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料的电化学性能表征进行详细说明。1、超级电容器电极的制备：分别将A15、H5、H15和乙炔黑的混合固体粉末共4.7mg（A15、H5、H15与乙炔黑的质量百分数分别85%、15%）加入到0.4mL质量分数为0.25wt%的Nafion溶液中超声分散形成悬浮液。然后用移液枪量取6μL上述悬浮液滴于玻碳电极表面，待室温下干燥后用于测试。2、电化学性能测试分别以上述制备的电极为工作电极，铂网为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系。采用1molL-1H2SO4溶液作为电解质溶液，电位窗口范围为-0.4~0.6V。图6显示，A15的循环伏安（CV）曲线显示出矩形形状（图6a）。而图6b、c有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的CV曲线上存在氧化还原峰，这是产生法拉第电容的特征。图6d为A15、H5、H15在扫描速率为15mVs-1条件下的CV曲线，表明H5、H15CV曲线积分面积要比A15大，这是因为该复合材料将双电层储能和法拉第储能机理相结合，增大了材料的整体比电容。图7为A15、H5、H15作为超级电容器电极材料在1molL-1H2SO4电解质溶液中电势窗口范围为-0.4~0.6V，不同电流密度下的恒电流充放电曲线图。当电流密度为1Ag-1时，生物质多孔碳材料A15、有机分子非共价键功能化生物质碳复合材料H5、H15的比电容分别为234Fg-1、290Fg-1、295Fg-1，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，包括以下工艺步骤：（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~ 80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min‑1的速率升温至700~900℃，保持30~120 min，然后冷却至室温，用0.5~1mol /LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；（2）有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备：将上述制备的生物质碳材料分别与有机分子1‑氨基蒽醌、2,3‑二氯‑1,4‑奈醌溶解在丙酮中，搅拌反应10~12h，在70~80℃下干燥，即得有机分子非共价键功能化生物质碳材料。
【技术特征摘要】
1.一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备方法，包括以下工艺步骤：（1）生物质碳材料的制备：将花椒籽粉末与氢氧化钾粉末混合后研磨1~2h，加入蒸馏水，搅拌反应20~24h，在60~80℃干燥10~12h；然后在氮气气氛中，以3~5℃min-1的速率升温至700~900℃，保持30~120min，然后冷却至室温，用0.5~1mol/LHCl和蒸馏水依次洗涤，最后在50~80℃下干燥，即得生物质碳材料；（2）有机分子非共价键功能化生物质碳材料的制备：将上述制备的生物质碳材料分别与有机分子1-氨基蒽醌、2,3-二氯-1,4-奈醌溶解在丙酮中，搅拌反应10~12h，在70~80℃下干燥，即得有机分子非共价键功能化生物质碳材料。2.如权利要求1所述一种有机分子非共价键功能化生物质碳材料的...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡中爱，王倩，李志敏，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62
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