木质素基炭纳米片储能材料及其制备方法和应用技术

木质素基炭纳米片储能材料及其制备方法和应用，将一定质量的硼酸在80℃的条件下溶解于50mL蒸馏水中，然后添加一定质量的木质素磺酸钠粉末并在该温度下不断搅拌直至溶剂蒸干，并继续将得到的样品放在80℃的烘箱中干燥12h；干燥后的样品放在管式炉炭化，最后将炭化后的样品用沸水将模板去除，干燥后得到木质素基炭纳米片。该方法绿色、简单、可持续，易于规模化生产；所制备得到的样品可以有效的控制其炭纳米片的厚度，作为超级电容器电极材料展现了良好的电化学性能，并且对于木质素这一生物质资源的充分利用具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
木质素基炭纳米片储能材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学储能炭材料领域，具体涉及木质素基炭纳米片储能材料及其制备方法和应用。
技术介绍
经济的快速发展的代价是传统能源和自然资源的过度开发，伴随着不断被破环的生态环境，使人类逐渐意识到了绿色可持续发展的重要性。中国的森林覆盖率较低，林业剩余物和林业加工剩余物的深加工再利用具有极大的潜力，然而仅有极少的部分被用作饲料、能源化和还田等，大部分被用来作为薪柴或者直接丢弃，造成了极大的资源浪费和环境污染。大多数植物都是由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中木质素在自然界的储量仅次于纤维素，同时也是制浆造纸工业的主要副产物，木质素磺酸盐是木质素的主要衍生物之一，利用亚硫酸盐制浆法从造纸废液中提取分离出来的木质素。随着木质素产量的不断上升，针对木质素经济可行的应用实例也越来越多，但是其利用率依然极低，绝大部分木质素磺酸盐只是被当作燃料简单地燃烧了，而且产热效率低下。在这种情况下，解决好如何高效地利用木质素将为整个社会带来巨大的经济效益。大力开发新型储能材料是解决能源危机和环境问题的重要举措，其中，超级电容器作为一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有充放电速度快、循环寿命长、功率密度大等优点，在电动车、大飞机和电子设备等领域有着广泛的应用。电极材料是影响超级电容器电化学性能的主要部分，炭材料是电极材料的发展过程中应用时间最长、工艺最成熟的一种，它具有来源丰富、导电性良好、孔径可调控和物理化学性能稳定等优点。近年来，随着人类对木质素结构功能研究的深入，木质素凭借含碳量高并且极易溶于水的特性，成功的被用作炭源制备出各种形态的炭材料，和其它炭材料相比，木质素磺酸钠自然储量丰富、绿色环保，经济可行并且很好的解决了造纸废液的问题。木质素基炭材料，和传统的生物质炭材料类似，主要通过不同的活化工艺制备具有较大比表面积的多孔炭材料，然而由于无法解决无法充分利用其发达的孔隙结构问题，使得该材料的进一步利用遇到了瓶颈；也有部分研究利用木质素磺酸钠制备出了多孔炭纳米微球，但是由于单个的微球之间存在较大的接触电阻，因此并未获得较好的电化学效果。为了解决以上问题，获得电化学性能更加优异的木质素基炭材料，合理的调控其微观结构具有重要的意义。石墨烯的发现，推动了与其具有相似结构的二维炭材料的发展，与零维炭纳米微球和一维炭纳米管相比，它具有良好的连续性，可以减少材料之间的接触电阻，与三维的多孔炭相比，二维材料不会有较深的孔隙结构带来的电荷扩散阻力，可以与电解液充分接触。尽管有相关研究通过氯化钠作为模板剂成功的制备出了类似的二维片层结构，然而由于氯化钠作为模板剂在应用过程中很大程度限制了木质素磺酸钠的溶解过程，因此获得的炭材料并未有效的控制炭纳米片的形貌和厚度。因此，一种绿色、简单、可控的制备木质素基炭纳米片的方法，对于木质素基材料在电化学储能领域的进一步应用具有重要意义。
技术实现思路
：解决的技术问题：本专利技术提供了一种木质素基炭纳米片储能材料及其制备方法和应用，该方法具有步骤简单、绿色可持续、成本低廉、形貌可控的特点，并且获得的木质素基炭材料展现了明显的纳米片结构，作为超级电容器电极材料表现出了良好的电化学效果。技术方案：木质素基炭纳米片储能材料的制备方法，合成步骤为：（1）按照70~90℃下将硼酸和木质素磺酸钠按照质量比（1-10）:1溶解并且充分混合，并且保持该条件至溶剂蒸干，得到的混合物继续置于烘箱内干燥；（2）将步骤（1）得到的干燥样品放在石英舟上并置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至800℃并且保持两个小时，将得到的产物研磨成粉末，置于沸水中回流去除硼酸，抽滤，最后将样品放在100℃的烘箱中干燥12h得终产物。优选的，上述硼酸和木质素磺酸钠溶解混合的条件为80℃的水浴加热和磁力搅拌。优选的，上述加入的木质素磺酸钠与硼酸的质量比分别为1:1、1:5或1:10。优选的，上述步骤（1）中烘箱的温度为80℃，烘干时间为12h。优选的，上述步骤（2）中样品置于沸水中回流的时间为1.5h。上述制备方法制得的木质素基炭纳米片储能材料。上述木质素基炭纳米片在制备超级电容器中的应用。本专利技术所制得的木质素基炭纳米片，其在超级电容器中的应用通过电化学测试来评价，具体步骤如下：将样品粉末与导电剂（乙炔黑）和粘结剂（PTFE）以8:1:1的质量比混合在一起，并且通过加入适量的乙醇润湿，充分搅拌制成泥浆，并将其均匀涂抹在工作电极上，50℃烘干5h，在三电极测试体系进行测试，电解液为6MKOH，电化学测试项目包括恒电流充放电、循环伏安曲线、交流阻抗测试以及循环寿命测试。本专利技术的关键是过饱和的硼酸溶液在溶剂蒸发过程中优先结晶形成片状结构，供木质素磺酸钠分子在其表面附着，通过两者的比例可以有效的调控木质素磺酸钠在硼酸晶体表面附着的厚度，即最终炭纳米片的厚度，炭化过程中硼酸编变成B2O3，在沸水中形成硼酸溶解于水中，因此得到炭纳米片。有益效果：作为电极材料，木质素基炭纳米片的二维结构，有效的避免了传统多孔炭所存在的比表面积无法充分利用的问题，并且同时减小了电荷在电极材料之间的传输阻力，因此提高了电极材料的倍率性能和循环稳定性，对于木质素的高效利用提供了一种极具前景的方法。附图说明图1为实施例1，2，3的扫描电镜图；其中a、b为实施例1，c、d为实施例2，e、f为实施例3；图2为实施例1（SLB-1），实施例2(SLB-5)，实施例3(SLB-10)在不同电流密度下比电容图；由图1可以看出，三种不同条件下的材料的扫描电镜图可以发现，通过模板剂和炭源的比例可以调控炭纳米片的厚度；图2说明了不同厚度的炭纳米片的比电容和倍率性能有明显的差异。具体实施方式为更好的阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，下面通过具体实施例和附图进行说明。实施例1在80℃条件下于50mL去离子水中溶解20g硼酸，然后按照与硼酸质量比为1:1的比例加入木质素磺酸钠20g，在不断搅拌的条件下使木制素磺酸钠全部溶解，溶剂蒸干后将得到的混合物放在80℃的烘箱内干燥12h，然后将干燥的样品置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至800℃，并保持2h，然后在自然冷却至室温。将得到的产物研磨成粉末，置于沸水中回流1.5h，抽滤，最后将样品放在100℃的烘箱中干燥12h。作为超级电容器的电极材料，在电流密度为1A/g时，比电容为366.25F/g，在电流密度为10A/g时比电容仍然可以保持203.45F/g。实施例2在80℃条件下于50mL去离子水中溶解20g硼酸，然后按照与硼酸质量比为1:5的比例加入木质素磺酸钠4g，在不断搅拌的条件下使木制素磺酸钠全部溶解，溶剂蒸干后将得到的混合物放在80℃的烘箱内干燥12h，然后将干燥的样品置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至800℃，并保持2h，然后在自然冷却至室温。将得到的产物研磨成粉末，置于沸水中回流1.5h，抽滤，最后将样品放在100℃的烘箱中干燥12h。作为超级电容器的电极材料，在电流密度为1A/g时，比电容为350.79F/g，在电流密度为10A/g时比电容仍然可以保持280.45F/g。实施例3在80℃条件下于50mL去离子水中溶解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.木质素基炭纳米片储能材料的制备方法，其特征在于合成步骤为：（1）按照70~90℃下将硼酸和木质素磺酸钠按照质量比（1‑10）:1溶解并且充分混合，并且保持该条件至溶剂蒸干，得到的混合物继续置于烘箱内干燥；（2）将步骤（1）得到的干燥样品放在石英舟上并置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至800℃并且保持两个小时，将得到的产物研磨成粉末，置于沸水中回流去除硼酸，抽滤，最后将样品放在100℃的烘箱中干燥12h得终产物。

【技术特征摘要】
1.木质素基炭纳米片储能材料的制备方法，其特征在于合成步骤为：（1）按照70~90℃下将硼酸和木质素磺酸钠按照质量比（1-10）:1溶解并且充分混合，并且保持该条件至溶剂蒸干，得到的混合物继续置于烘箱内干燥；（2）将步骤（1）得到的干燥样品放在石英舟上并置于管式炉内，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至800℃并且保持两个小时，将得到的产物研磨成粉末，置于沸水中回流去除硼酸，抽滤，最后将样品放在100℃的烘箱中干燥12h得终产物。2.根据权利要求1所述木质素基炭纳米片储能材料的制备方法，其特征在于所述硼酸和木质素磺酸钠溶解混合的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙康，李继辉，王傲，蒋剑春，孙昊，陈超，卢辛城，
申请(专利权)人：中国林业科学研究院林业新技术研究所，中国林业科学研究院林产化学工业研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11