一种多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明专利技术以含有KOH的碱法造纸产生的造纸黑液中的木质素为碳源，经预处理、碳化和活化，在所述活化的过程中，造纸黑液中的KOH起到活化剂的作用，得到具有高比表面积的多孔碳材料，比表面积为1500～3000m2/g，孔径分布为0.5～3nm，以微孔(50～80％)为主，中孔(20～50％)为辅，作为电极材料组装的超级电容器具有良好的电化学性能和循环性能，比电容可达337F/g，在3000次循环之后，电容保持在98％以上。本发明专利技术提供的制备方法操作简单、条件温和、能耗低、成本低廉、工艺易控，适宜大规模工业推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功能材料
，特别涉及一种多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
超级电容器亦称电化学电容器，具有快速充放电、功率密度大、循环寿命长等特点。基于这些优异的性能，超级电容器可以作为无污染的后备电源用于多种电器设备，同时它也可与电池共同组成复合电源为电动汽车提供动力，近年来受到广泛关注并得到快速发展。超级电容器不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。在现有技术中，多采用淀粉、聚合物等作为碳源制备多孔碳材料。代启发报道了一种以淀粉为碳源制备多孔碳材料的方法，(代启发.以淀粉为前驱体制备多孔碳材料的研究[D].广西师范大学,2008.)；公开号为CN104086678A的中国专利中公开了一种聚合物碳材料的制备方法，并具体公开了以碱金属或碱土金属和聚卤代烯烃、卤代聚烯烃、多卤代烃或其衍生物为原料制备得到多孔碳材料。但上述方法的原料成本较高，且制备方法复杂。现今造纸厂的蒸煮普遍使用化学药品溶出、脱除木素的反应过程，将稻草的木素降解成低分子木素，增加了木素的溶出和被抽提的能力，从而实现木素与纤维素、半纤维素的分离。在采用碱预处理过程中会产生一些废液即为预处理后的黑液。通常情况下，黑液直接排入污水处理厂，这样会大大增加污水处理的环保费用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多孔碳材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的制备方法成本低廉，制备的多孔碳材料具有大的比表面积，可用于制备具有良好电化学性能的超级电容器。本专利技术提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将造纸黑液进行预处理，得到固体混合物，所述造纸黑液为碱法造纸产生的含有KOH的废液；(2)将所述步骤(1)得到的固体混合物进行碳化，得到碳材料；(3)将所述步骤(2)得到的碳材料进行活化，得到多孔碳材料。优选的，步骤(1)中所述造纸黑液在预处理前与三聚氰胺混合，得到混合溶液。优选的，所述三聚氰胺的质量为造纸黑液质量的0.5～2％。优选的，所述步骤(2)中碳化在惰性气体保护下进行。优选的，所述碳化的温度为350～450℃，碳化的时间为0.5～1.5h。优选的，所述步骤(3)中活化在惰性气体保护下进行。优选的，所述活化的温度为600～900℃，活化的时间为0.5～1.5h。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备的多孔碳材料，所述多孔碳材料的比表面积为1500～3000m2/g。优选的，所述多孔碳材料的孔径为0.5～3nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述多孔碳材料在超级电容器中的应用。本专利技术以含有KOH的碱法造纸产生的造纸黑液中的木质素为碳源，经预处理、碳化和活化，在所述活化的过程中，造纸黑液中的KOH起到活化剂的作用，得到具有高比表面积的多孔碳材料。实验结果表明，本专利技术提供的制备方法制备的多孔碳材料的比表面积为1500～3000m2/g，孔径分布为0.5～3nm，以微孔(50～80％)为主，中孔(20～50％)为辅，作为电极材料组装的超级电容器具有良好的电化学性能和循环性能，比电容可达337F/g，在3000次循环之后，电容保持在98％以上。本专利技术提供的制备方法操作简单、条件温和、能耗低、成本低廉、工艺易控，适宜大规模工业推广。附图说明图1为实施例7中得到的多孔碳材料的SEM图；图2为实施例7中得到的多孔碳材料的孔径分布图；图3为实施例9中得到的多孔碳材料的SEM图；图4为实施例9中得到的多孔碳材料的孔径分布图；图5为实施例10中得到的碳电极的循环伏安曲线；图6为实施例10中得到的碳电极的恒流充放电曲线；图7为实施例11中得到的多孔碳材料的SEM图；图8为实施例11中得到的多孔碳材料的孔径分布图。具体实施方式本专利技术提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将造纸黑液进行预处理，得到固体混合物，所述造纸黑液为碱法造纸产生的含有KOH的废液；(2)将所述步骤(1)得到的固体混合物进行碳化，得到碳材料；(3)将所述步骤(2)得到的碳材料进行活化，得到多孔碳材料。本专利技术以造纸黑液中的为原料，所述造纸黑液为碱法造纸产生的含有KOH的废液。造纸黑液中富含有大量的木质素(Lignin)，是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，通过碳化和活化后可以得到高品质碳材料；所述造纸黑液中的KOH作为活化剂，通过活化过程中与碳反应，生成H2、CO、CO2等气体，有效开发出中孔和微孔结构。本专利技术提供的方法可以以造纸企业中，碱法造纸工艺产生的废液为原料，也可以模拟碱法造纸过程，自行制备造纸黑液。在本专利技术中，所述造纸黑液的制备优选包括以下步骤：(a)将纤维原料与KOH溶液混合，反应得到混合物料；(b)对所述步骤(a)得到的混合物料进行固液分离，得到造纸黑液。本专利技术优选将纤维原料与KOH溶液混合，反应得到混合物料。在本专利技术中，所述纤维原料与KOH的质量比优选为1:0.2～0.8，更优选为1:0.4～0.6。本专利技术对所述纤维原料的种类和来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的造纸用纤维原料即可。在本专利技术中，所述纤维原料优选为植物纤维，更优选为稻草、玉米秸秆、麦草和木材中的一种或多种。在本专利技术中，所述纤维原料优选在使用前进行预处理，得到纤维粉末。在本专利技术中，所述预处理包括粉碎和干燥。本专利技术对所述粉碎的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的粉碎物料的设备即可。在本专利技术中，所述粉碎优选在粉碎机中进行；所述粉碎后纤维原料的粒度优选为不低于40目。本专利技术优选将粉碎后的纤维原料进行干燥处理，得到纤维粉末。在本专利技术中，所述干燥的温度优选为100～110℃，更优选为103～107℃；所述干燥的时间优选为11～13h，更优选为11.5～12.5h。在本专利技术中，所述KOH优选以KOH溶液的形式添加，所述KOH溶液的质量浓度优选为2～8％，更优选为4～6％。本专利技术对所述纤维原料与KOH溶液混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本专利技术中，所述混合优选在搅拌条件下进行。在本专利技术中，所述搅拌的速率优选为100～800r/min，更优选为300～500r/min，最优选为350～450r/min；所述搅拌的时间优选为2～6min，更优选为3～5min。本专利技术对所述反应的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的反应装置即可。在本专利技术中，所述反应优选在反应釜中进行；所述反应釜优选为不锈钢反应釜；所述反应釜的内衬优选为聚四氟乙烯。在本专利技术中，所述反应的温度优选为110～130℃，更优选为115～125℃，最优选为118～122℃；所述反应的时间优选为4～6h，更优选为4.5～5.5h。在本专利技术中，所述反应过程中，KOH溶液将纤维原料中的木质素溶出，得到碱性混合物料。本专利技术优选在反应结束后将所述混合物料进行冷水浴冷却至室温。在本专利技术中，所述冷却速率优选为4～6℃/min。所述冷却完成后，本专利技术优选对冷却得到的混合物料进行分离，得到造纸黑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将造纸黑液进行预处理，得到固体混合物，所述造纸黑液为碱法造纸产生的含有KOH的废液；(2)将所述步骤(1)得到的固体混合物进行碳化，得到碳材料；(3)将所述步骤(2)得到的碳材料进行活化，得到多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将造纸黑液进行预处理，得到固体混合物，所述造纸黑液为碱法造纸产生的含有KOH的废液；(2)将所述步骤(1)得到的固体混合物进行碳化，得到碳材料；(3)将所述步骤(2)得到的碳材料进行活化，得到多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述造纸黑液在预处理前与三聚氰胺混合，得到混合溶液。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺的质量为造纸黑液质量的0.5～2％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中碳化在惰性气体保护下进行。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：漆新华，朱林峰，申锋，
申请(专利权)人：农业部环境保护科研监测所，
类型：发明
国别省市：天津;12