一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法。本发明专利技术利用木质素溶解性与酸碱性的关系制备定量添加结合态钠基团的碱木质素，然后在保护气体氛围下进行结合态钠基团催化的热解碳化和活化反应，获得基于结合态钠基团活化的碱木质素多孔碳电极材料，以此多孔碳电极材料组装电容器。本发明专利技术可以有效提高多孔碳电极材料的得率和比表面积，同时优化多孔碳电极材料的元素含量，可制得的具有优异的电化学性能的电极，此外本发明专利技术还具有制作过程简单、操作容易、能够减轻环境污染的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，属于电极材料制备领域。
技术介绍
含碳材料由于具有大的比表面积，可调节的孔径，优异的物理化学稳定性，易加工性和相对较低的成本，因而受到了极大极大关注。目前，许多研究人员致力于开发新型碳基电极材料，高性能的电容器，如多孔碳、洋葱、碳纳米管、碳球、碳气凝胶和石墨烯等。其中，多孔碳电极材料作为电容器电极材料引起科研者的广泛兴趣，因为它们具有可持续的前体，特定离子的可调节形态，简单的制备过程以及特别低的成本。与煤炭、石油或其衍生产品相比，利用可持续、廉价且对环境无害的生物质能量储存特别引人注目。每年世界各地都会产生近1.5亿吨废木质素，木质素的最大应用是直接燃烧产生能量，这可能产生许多持久性有机污染物并引起严重的环境问题。事实上，木质素具有高碳含量和与沥青类似的分子结构。木质素基多孔碳电极材料中微孔提供了丰富的位点作为电荷积累的位置和中孔作为缩短离子扩散距离的通道，而大孔可以充当储存器以缓冲电解质离子，所以木质素基多孔碳电极材料是一种良好的电极材料。因此，如何将木质素转简单高效的转化为具有优异的电化学性能多孔碳电极材料是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，本专利技术可以有效提高多孔碳电极材料的得率和比表面积，同时优化多孔碳电极材料的元素含量，可制得的具有优异的电化学性能的电极；此外本专利技术还具有制作过程简单、操作容易、能够减轻环境污染的特点。本专利技术的技术方案：一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，按下述步骤进行：a、按质量份1:10-30的比例将碱木质素加入去离子水中，再加入氢氧化钠溶液，碱木质素和氢氧化钠反应生成结合态钠基团的碱木质素，直至碱木质素反应完全；b、对溶液进行离心分离，取上层清液冷冻干燥；c、将冷冻干燥后的粉末在保护气体的保护下，以3-10℃/min升温速率，将温度升温到750-850℃，保持1.5-2.5h，制得成品。上述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，按下述步骤进行：a、按质量份1:20的比例将碱木质素加入去离子水中，再加入浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，碱木质素和氢氧化钠反应生成结合态钠基团的碱木质素，直至碱木质素反应完全；b、对溶液进行离心分离，取上层清液冷冻干燥；c、将冷冻干燥后的粉末在保护气体的保护下，以5℃/min升温速率，将温度升温到800℃，保持2h，进行结合态钠基团催化碱木质素的热解碳化及活化反应，制得成品。前述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，所述碱木质素和氢氧化钠反应产生木质素结合态钠基团的化学程式为：前述的碱木质素多孔碳电机材料的制备方法，所述碱木质素是酸沉淀碱木质素。前述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，步骤c中，在保温结束后自然冷却到室温，通过稀盐酸和去离子水对成品进行洗涤，洗涤后过滤干燥，得到结合态钠基团活化制备的碱木质素基多孔碳电极材料成品。前述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，所述稀盐酸的浓度为0.1mol/L。前述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，步骤c中，所述保护气体是氮气。与现有技术比较，本专利技术利用碱木质素溶与氢氧化钠溶液在去离子水中化学反应关系定量添加结合态钠基团的碱木质素，然后在保护气体的保护下进行结合态钠基团催化的热解碳化和活化反应，获得成品率较氢氧化钠催化的的热解碳化和活化反应制备的多孔碳电极材料成品率提高了接近1.6倍，且比表面积提高了接近3倍，同时优化了多孔碳电极材料的元素含量，使得制备的多孔碳电极材料由微孔，小介孔和大孔组成，以此多孔碳电极材料组装电容器，电化学性能和循环性能优良。本专利技术制备方法简单，碱木质素作为工业副产物，廉价容易获取，不仅能够减少废弃资源带来的环境问题，而且能够带来巨大的经济效益。此外，本专利技术还通过稀盐酸和去离子水对成品进行洗涤，洗涤后过滤干燥，将杂质去除，使得方便得到多孔碳电极材料纯品。而且采用氮气作为保护气体，成本低廉，具有较高的经济利益。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但并不作为对本专利技术限制的依据。实施例1：一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，按下述步骤进行：a、将10g绝干质量的酸沉淀碱木质素加入到装有200ml去离子水的烧杯中，随后缓慢加入0.1mol/L氢氧化钠溶液，直至酸沉淀碱木质素完全溶解，形成混合溶液，并记录加入氢氧化钠溶液的体积，随后采用ICP-AES及定量31P-NMR分析确认碱木质素中结合态钠基团的添加量，其中碱木质素结合态钠基团的添加过程的化学方程式是：当酸沉淀碱木质素加入到去离子水中，酸沉淀碱木质素会电离出氢离子，在向其中加入氢氧化钠溶液后，氢氧化钠溶液中的氢氧根离子会与酸沉淀碱木质素会电离出氢离子结合生成水，此时钠离子结合到木质素酚羟基中氢离子位置，实现木质素结合态钠基团的添加。b、对混合溶液进行离心分离后，将上层清液冷冻干燥，制得样品；c、取2g样品放入瓷舟中，采用小型高温管式炉在氮气保护下，以5℃/min升温速率，将温度升温到800℃，保持2h，进行结合态钠基团催化碱木质素的热解碳化及活化反应，制得碱木质素基多孔碳电极材料；d、保温结束后自然冷却到室温，随后通过0.1mol/L稀盐酸和去离子水对碱木质素多孔碳电极材料进行洗涤至pH值到7，洗涤后过滤干燥，得到结合态钠基团活化制备的碱木质素多孔碳电极材料纯品，并计算出结合态钠基团活化碱木质素制备的多孔碳电极材料的成品率为46.5％。实施例2：一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，按下述步骤进行：a、将10g绝干质量的酸沉淀碱木质素加入到装有150ml去离子水的烧杯中，随后缓慢加入0.1mol/L氢氧化钠溶液，直至酸沉淀碱木质素完全溶解，形成混合溶液，并记录加入氢氧化钠溶液的体积，随后采用ICP-AES及定量31P-NMR分析确认碱木质素中结合态钠基团的添加量，其中碱木质素结合态钠基团的添加过程的化学方程式是：当酸沉淀碱木质素加入到去离子水中，酸沉淀碱木质素会电离出氢离子，在向其中加入氢氧化钠溶液后，氢氧化钠溶液中的氢氧根离子会与酸沉淀碱木质素会电离出氢离子结合生成水，此时钠离子结合到木质素酚羟基中氢离子位置，实现木质素结合态钠基团的添加。b、对混合溶液进行离心分离后，将上层清液冷冻干燥，制得样品；c、取2g样品放入瓷舟中，采用小型高温管式炉在氮气保护下，以4℃/min升温速率，将温度升温到760℃，保持1.8h，进行结合态钠基团催化碱木质素的热解碳化及活化反应，制得碱木质素基多孔碳电极材料；d、保温结束后自然冷却到室温，随后通过0.1mol/L稀盐酸和去离子水对碱木质素多孔碳电极材料进行洗涤至pH值到7，洗涤后过滤干燥，得到结合态钠基团活化制备的碱木质素多孔碳电极材料纯品，并计算出结合态钠基团活化碱木质素制备的多孔碳电极材料的成品率为44.3％。实施例3：一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，按下述步骤进行：a、将10g绝干质量的酸沉淀碱木质素加入到装有250ml去离子水的烧杯中，随后缓慢加入0.1mol/L氢氧化钠溶液，直至酸沉淀碱木质素完全溶解，形成混合溶液，并记录加入氢氧化钠溶液的体积，随后采用ICP-AES及定量31P-NMR分析确认碱木质素中结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：a、按质量份1:10‑30的比例将碱木质素加入去离子水中，再加入氢氧化钠溶液，碱木质素和氢氧化钠反应生成结合态钠基团的碱木质素，直至碱木质素反应完全；b、对溶液进行离心分离，取上层清液冷冻干燥；c、将冷冻干燥后的粉末在保护气体的保护下，以3‑10℃/min升温速率，将温度升温到750‑850℃，保持1.5‑2.5h，制得成品。

【技术特征摘要】
1.一种碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：a、按质量份1:10-30的比例将碱木质素加入去离子水中，再加入氢氧化钠溶液，碱木质素和氢氧化钠反应生成结合态钠基团的碱木质素，直至碱木质素反应完全；b、对溶液进行离心分离，取上层清液冷冻干燥；c、将冷冻干燥后的粉末在保护气体的保护下，以3-10℃/min升温速率，将温度升温到750-850℃，保持1.5-2.5h，制得成品。2.根据权利要求1所述的碱木质素多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于：按下述步骤进行：a、按质量份1:20的比例将碱木质素加入去离子水中，再加入浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液，碱木质素和氢氧化钠反应生成结合态钠基团的碱木质素，直至碱木质素反应完全；b、对溶液进行离心分离，取上层清液冷冻干燥；c、将冷冻干燥后的粉末在保护气体的保护下，以5℃/min升温速率，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭大亮，沙力争，胡志军，张学金，刘蓓，袁康帅，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33