一种碳仿生纳米材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳仿生纳米材料及制备方法。该碳仿生纳米材料是以丝瓜络为原材料，采用氢氧化钾化学活化法，在不同的温度和不同活化物质比例的条件下制备出的高比表面积活性炭材料(AC)，其最大比表面积为1592m

A Carbon Biomimetic Nanomaterial and Its Preparation Method

The invention discloses a carbon bionic nanometer material and a preparation method thereof. The carbon biomimetic nano-material was prepared by chemical activation of potassium hydroxide with Luffa complexes as raw materials under different temperatures and different proportion of activating substances. The maximum specific surface area of the carbon nano-material was 1592 M.

【技术实现步骤摘要】
一种碳仿生纳米材料及制备方法
本专利技术属于碳仿生纳米材料电极材料
，涉及一种碳仿生纳米材料及制备方法，尤其涉及一种具有原材料易获得且容易制备和较大比表面积的碳仿生纳米材料的制备，可用于超级电容器电极材料。
技术介绍
由于众所周知的原因，以化石燃料为基础的能源在世界上引起了许多经济和环境问题。不断增长的能源需求、化石燃料的资源消耗，以及越来越多的环境问题，包括温室气体排放和地方性空气污染物的排放，都促使人们寻求开发具有高功率密度和能量密度的替代能源。同时，随着技术的不断发展，人们对于高性能储能设备的需求也在不断提升。在这种时代背景下，出现了超级电容器，并使得许多材料被用于超级电容器电极的研究，而其中碳材料是研究时间最长，最广泛的材料。在电极碳材料的的工业历程中，生物质原材料现在已逐渐成为活性炭，多孔碳的主要原料。活性炭具有长久的工业生产和应用历史，最早应用于超级电容器的碳电极材料，而多孔碳-活性炭粉-活性炭纤维这一顺序，代表了活性炭工业的发展方向，因为在材料经过活化后，其微孔数量会显著提升，从而提高活性炭的利用率。EllieYiLihTeo等人使用氢氧化钾活化法制备稻壳活性炭(RHAC),其比表面积高达2696m2/g，SEM与TEM图证明其碳粉介孔数量显著提升，有利于形成双电层；Essandoh等人通过高温热解松木条，获得了具有多微孔结构的活性碳。实验结果表明松木条活性炭对废水中的水杨酸与布洛芬吸附能力要远高于商业活性炭；Liu等人利用废弃松木和稻壳在300℃条件下以水热法制得了多孔碳材料；Shoaib和Al-SWaidan以枣椰树为原料，二氧化碳为活化气体，高压下保温30min，得到了比表面积为1094m2/g的多孔碳材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了增大碳仿生纳米材料的比表面积，从而提高其电化学性能。为此首次将丝瓜络作为碳仿生纳米材料的原材料，并使用氢氧化钾化学活化法提高材料的比表面积，制备具有高比表面积的活性炭材料。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种碳仿生纳米材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将丝瓜络切成小块，用去离子水和乙醇清洗，在恒温干燥箱中干燥完全；(2)取步骤(1)中干燥后的丝瓜络放入石英舟中，于管式炉中惰性气体保护下以不高于5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h；(3)取步骤(2)中碳化的样品并加入活化剂氢氧化钾，加入去离子水使其混合，搅拌使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，完全干燥，保证加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:1～4；(4)将步骤(3)中干燥后的样品在研钵中研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内惰性气体保护下，在600～800℃进行活化70min，升温速率不高于5℃/min,自然冷却至室温；(5)用1MH2SO4对步骤(4)所得样品进行两次清洗，每次混合后超声至少15min，然后用乙醇和去离子水洗涤至中性，60℃下真空干燥，所得样品为碳仿生纳米材料。进一步地，步骤(3)中加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:2。进一步地，步骤(4)中在管式炉内惰性气体保护下，在700℃进行活化。进一步地，步骤(3)中搅拌时间不少于1h，以便样品和活化剂混合均匀。进一步地，步骤(2)和(4)中，所述惰性气体为氮气或氩气的一种，以便在煅烧过程碳仿生纳米材料不被氧化掉。上述该碳仿生纳米材料最大比表面积为1576m2/g，主要由暴露{002}和{100}晶面的无定形碳组成。本专利技术采用了前人未研究过的丝瓜络作为原材料来制备碳纳米仿生材料，丝瓜是我国广泛种植的农作物之一，丝瓜络即丝瓜熟成老化之后的丝瓜纤维。丝瓜络本身具有较大的比表面积，丰富的纤维结构，且实验结果表明丝瓜中含有较多的镍元素，可以充当赝电容，理论上是良好的电极材料。丝瓜络环保，经济，易获得，产量较大，有工业运用的潜力。本专利技术使用氢氧化钾化学活化法，在不同的活化温度和不同的活化物质比例下提高材料的比表面积，制备出具有高比表面积的活性炭材料，从而具有优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术实施例2产物的扫描电镜图；(a)5μm尺寸，(b)500nm尺寸。图2为本专利技术实施例2产物红外光谱测试图；图3为本专利技术实施例2产物比表面积测试图；(a)吸附脱附曲线，(b)孔径分布。图4为本专利技术实施例2产物的X射线衍射图；图5为本专利技术实施例2产物的电化学性能图；(a)不同温度，(b)不同扫描速度，(c)不同电流密度，(b)循环测试。具体实施方式下面通过具体实例和附图对本专利技术进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明只是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限制。实施例1取购得的丝瓜络洗净，切成适当的小块，于100℃下干燥24h。干燥后的丝瓜取10g放入石英舟中，于管式炉中氮气气氛下以5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h，碳化后的样品记为丝瓜碳(SC)。在碳化的样品中加入活化剂氢氧化钾，使得加入的氢氧化钾与碳化后的样品的质量比为1:1，加入去离子水使其混合，搅拌1h使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，在100℃下干燥24h。干燥后的样品研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内氮气气氛下，在700℃下活化70min，升温速率5℃/min,自然冷却至室温。活化后的样品用1MH2SO4洗两次且每次混合后超声15min，然后用去离子水和乙醇冲洗至中性，60℃下真空干燥，收集样品。取8mg所制备的活性炭材料、1mg导电炭黑、1mgPVDF于研钵中混合均匀涂到处理过的泡沫镍上，经过60℃下真空干燥后压片制成电极，用6MKOH作电解液、Hg/HgO电极为参比电极、Pt电极为对比电极测所制电极的电化学性能。经循环伏安测试，用该复合材料制备的电极在扫速为5mV/s时最大电容量为170F/g。实施例2取购得的丝瓜络洗净，切成适当的小块，于100℃下干燥24h。干燥后的丝瓜取10g放入石英舟中，于管式炉中氮气气氛下以5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h，碳化后的样品记为丝瓜碳(SC)。在碳化的样品中加入活化剂氢氧化钾，使得加入的氢氧化钾与碳化后的样品的质量比为2:1，加入去离子水使其混合，搅拌1h使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，在100℃下干燥24h。干燥后的样品研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内氮气气氛下，在700℃下活化70min，升温速率5℃/min,自然冷却至室温。活化后的样品用1MH2SO4洗两次且每次混合后超声15min，然后用去离子水和乙醇冲洗至中性，60℃下真空干燥，收集样品。取8mg所制备的活性炭材料、1mg导电炭黑、1mgPVDF于研钵中混合均匀涂到处理过的泡沫镍上，经过60℃下真空干燥后压片制成电极，用6MKOH作电解液、Hg/HgO电极为参比电极、Pt电极为对比电极测所制电极的电化学性能。附图1为本实施例所得产物的扫描电镜图，由图可知，制备出的碳仿生纳米材料为块状，经氢氧化钾活化后在块状表面布满了小孔，从而增大材料的比表面积；附图2为本实施例所得产物的红外光谱测试图，由图可知，该样品中存在几种官能团，主要是C＝C芳香键；附图3为本实施例所得产物的比表面积测试图，由图3a可知该产物的比表面积为1592m2/g,图3b为该碳仿生纳米材料表面小孔的孔径分布图，可知孔径为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳仿生纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将丝瓜络切成小块，用去离子水和乙醇清洗，在恒温干燥箱中干燥完全；(2)取步骤(1)中干燥后的丝瓜络放入石英舟中，于管式炉中惰性气体保护下以不高于5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h；(3)取步骤(2)中碳化的样品并加入活化剂氢氧化钾，加入去离子水使其混合，搅拌使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，完全干燥，保证加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:1～4；(4)将步骤(3)中干燥后的样品在研钵中研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内惰性气体保护下，在600～800℃进行活化70min，升温速率不高于5℃/min,自然冷却至室温；(5)用1M H2SO4对步骤(4)所得样品进行两次清洗，每次混合后超声至少15min，然后用乙醇和去离子水洗涤至中性，60℃下真空干燥，所得样品为碳仿生纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳仿生纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将丝瓜络切成小块，用去离子水和乙醇清洗，在恒温干燥箱中干燥完全；(2)取步骤(1)中干燥后的丝瓜络放入石英舟中，于管式炉中惰性气体保护下以不高于5℃/min的升温速率加热至400℃进行碳化，保持4h；(3)取步骤(2)中碳化的样品并加入活化剂氢氧化钾，加入去离子水使其混合，搅拌使其混合均匀，之后将混合液放入烘箱中，完全干燥，保证加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:1～4；(4)将步骤(3)中干燥后的样品在研钵中研磨均匀，放入石英舟中，在管式炉内惰性气体保护下，在600～800℃进行活化70min，升温速率不高于5℃/min,自然冷却至室温；(5)用1MH2SO4对步骤(4)所得样品进行两次清洗，每次混合后超声至少15min，然后用乙醇和去离子水洗涤至中性，60℃下真空干燥，所得样品为碳仿生纳米材料。2.根据权利要求1所述的碳仿生纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中加入的碳化的样品和活化剂氢氧化钾的质量比为1:2。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭振权，张申鹏，宋学志，肖得隽，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21