高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用。所述制备方法中先以含有SiO

High specific surface area biomass based carbon material and activation free preparation method and application thereof

The invention discloses a high specific surface area biomass based carbon material and an activation free preparation method and an application thereof. The preparation method comprises the steps of containing SiO

【技术实现步骤摘要】
高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用
本专利技术属于材料
，具体涉及一种高比表面积生物质基炭材料及其免活化制备方法和应用。
技术介绍
多孔炭材料具有孔隙率丰富、导电率高、物理化学稳定性优异和孔结构可调等优点，在能源储存、吸附、分离、催化、石油化工和医疗卫生等领域有着广泛且重要的应用，备受各国政府和学者的关注，是材料学科的热门研究领域。近年来，科学家在合成和控制多孔炭材料方面取得了长足进展。随着纳米科学与技术的深入发展，人们对多孔炭材料的结构设计、可控合成、性能及应用提出了更高要求。其中，设计合成具有高度发达多孔结构的炭材料，是该领域面临重大挑战之一，也是性能提升和应用拓展的关键所在。迄今为止，制备高比表面积炭材料的方法主要包括活化法和模板法。其中，活化法是目前制备多孔炭材料最普遍与成熟的技术路线。尤其是采用氢氧化钾作为活化剂的致孔效果非常好，可以在较短的时间内刻蚀出大量微孔，所制备得到的炭材料比表面积一般可以达到2000m2/g以上。然而，该方法通常采用高的氢氧化钾用量，且后处理时需要酸洗以及水洗，容易造成制备时对环境的严重污染，同时导致材料的成本居高不下。另一方面，模板法为纳米孔炭结构的构建开辟了一种新途径，它克服了活化法难以精确控制孔结构的缺点，给纳米孔炭材料的开发与应用注入了活力。模板法制备高比表面积炭材料的步骤一般如下：(1)合成预定纳米结构的多孔SiO2模板；(2)对模板进行反复填充炭源-干燥-热处理；(3)炭化；(4)利用氢氟酸或强碱洗涤以去除SiO2模板。显然，这类方法耗时长，合成过程繁琐，成本高，不适宜大量生产。值得一提的是，去除模板需要用到有毒的氢氟酸或者腐蚀性强的强碱，这不仅增加了工艺流程,而且对环境和人体危害较大。近年来，开发有机物小分子或特定的高分子作为碳源，利用直接炭化法制备得到高比表面积炭材料引起了研究者的极大兴趣。然而，这类方法通常涉及到复杂甚至十分苛刻的化学合成工艺，而且原料价格昂贵，导致制备成本较高。另一方面，天然生物质具有来源广泛、成本低、可再生和环境友好等特性，借助天然生物质合成高比表面积炭材料受到了人们广泛的重视。玉米秸秆、海藻、鱼鳞、动物骨头、木屑粉、稻谷壳等生物质都已被开发用来制备多孔炭材料，取得了较好的效果。然而，迄今为止，高比表面积生物质基炭材料的制备仍然不可避免使用到活化技术路线，这类合成方法不仅存在工艺复杂、对环境不友好等不足之处，而且难以进行结构调控，具有明显的局限性。综上所述，目前高比表面积炭材料的合成方法存在以下弊端：(1)使用强碱作为活化剂，不仅制备成本高，而且后处理过程复杂，需要消耗大量的水进行中和，浪费水资源，且易造成环境污染；(2)消耗大量额外的模板剂，制备流程繁琐；(3)使用腐蚀性强的强碱或氢氟酸去除硬模板剂，对环境和人体不友好；(4)原料常采用有机物小分子或高分子，成本较高，制备条件苛刻。这些瓶颈制约了高比表面积炭材料的发展进程。因此，开发简单高效、条件温和、环境友好的新型工艺路线，设计合成具有发达孔结构的炭材料，仍然是炭材料领域带有共性的、亟待解决的重要问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的首要目的在于提供一种高比表面积生物质基多孔炭材料的免活化、免后处理制备方法。该方法以含有SiO2、碳酸盐等天然无机模板组分的生物质作为碳源，以含氟聚合物作为模板去除剂，利用含氟聚合物在高温下产生HF小分子的特点，可原位将生物质中SiO2、碳酸盐等无机模板组分在炭化过程中一步去除，使得生物质在炭化的同时完成了对模板的原位去除，由此实现了一种全新的免活化、免后处理过程的简易制备高比表面积生物质基炭材料的方法。本专利技术的另一目的在于提供上述方法制备得到的高比表面积生物质基多孔炭材料。本专利技术的再一目的在于提供上述高比表面积生物质基炭材料的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种高比表面积生物质基炭材料的免活化、免后处理制备方法，包括以下操作步骤：(1)将含有SiO2、碳酸盐等天然无机模板组分的生物质进行干燥并粉碎；(2)将步骤(1)所得生物质粉末加入含氟聚合物中，并充分混合均匀；(3)在一定气体气氛下，利用不同炭化工艺(如升温速率、炭化温度、炭化时间和热处理气氛)对步骤(2)所得混合物进行炭化，得到所述高比表面积生物质基炭材料。步骤(1)中所述生物质包括稻谷壳、芦苇叶、虾壳、蟹壳、桔秆、竹叶以及污泥等中的至少一种。步骤(2)中所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚三氟氯乙烯、氟化乙丙烯、聚氟乙烯、含氟丙烯酸酯的共聚物以及四氟乙烯/六氟丙烯共聚物等中的至少一种。步骤(2)中所述生物质粉末和含氟聚合物的质量配比为1:0.2～20。步骤(3)中所述炭化的工艺为：以0.5～20℃/min的升温速率升温至500～1200℃，炭化1～36h，气体气氛为50～1000ml/min流速的惰性气体(例如氮气、氩气)，或由50～1000ml/min流速的惰性气体(例如氮气、氩气)与10～500ml/min流速的活性气体(例如，空气、水蒸气)组成的混合气体。一种高比表面积生物质基炭材料就是由上述方法制备而成的。上述高比表面积生物质基炭材料可用于制备电化学电容器的电极材料。本专利技术的原理是：本专利技术首先以含有SiO2、碳酸盐等天然无机模板组分的生物质作为碳源，以含氟聚合物作为模板去除剂，混合均匀后，在一定气体保护下进行高温炭化反应，利用含氟聚合物在高温下产生HF小分子的特点，原位将生物质中SiO2、碳酸盐等无机模板组分在炭化过程中一步去除，使得生物质在炭化的同时完成了对模板的原位去除，由此直接得到高比表面积生物质基炭材料。研究发现：(1)将稻谷壳等生物质与含氟聚合物粉末混合并进行炭化处理，可一步得到孔隙率发达的多孔炭材料，其最高BET比表面积可达2050m2/g以上，接近甚至超过大部分利用繁琐的KOH活化工艺得到的活性炭材料；(2)EDS、元素分析等结果表明，所得到的炭材料纯度较高，SiO2等非碳无机杂质均可以通过这种简单的一步法得到去除。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)将炭化和模板去除简并至一个步骤，免除繁琐的后处理过程，大大简化制备流程；(2)避免氢氟酸或强碱的使用，绿色环保；(3)以含有SiO2、碳酸盐等天然无机模板组分的生物质作为碳源，原料来源充足，且免除模板的预合成和后处理的模板去除；(4)生物质含有丰富的氧元素，这些氧元素可与部分碳元素结合形成小分子逃逸从而留下大量孔道，通过调节生物质固有天然模板的理化性质、炭化条件和含氟聚合物种类及其添加量等工艺参数，进而得到结构可控的高比表面积炭材料。附图说明图1是实施例1制备得到的高比表面积稻谷壳基炭材料EDS结果。图2是实施例1制备得到的高比表面积稻谷壳基炭材料N2吸附-脱附等温曲线。图3是实施例1制备得到的高比表面积稻谷壳基炭材料的电镜图，其中，a为扫描电镜图，b、c为透射电镜图。图4是实施例1制备得到的高比表面积稻谷壳基炭材料(曲线a)和日本进口的超级电容器专用的活性炭(曲线b)的电化学电容性能结果。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1一种高比表面积生物质基炭材料的制备方法包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比表面积生物质基炭材料的免活化制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：(1)将生物质进行干燥并粉碎；(2)将步骤(1)所得生物质粉末加入含氟聚合物中，并充分混合均匀；(3)在一定气体气氛下，对步骤(2)所得混合物进行炭化，得到所述高比表面积生物质基炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种高比表面积生物质基炭材料的免活化制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：(1)将生物质进行干燥并粉碎；(2)将步骤(1)所得生物质粉末加入含氟聚合物中，并充分混合均匀；(3)在一定气体气氛下，对步骤(2)所得混合物进行炭化，得到所述高比表面积生物质基炭材料。2.根据权利要求1所述的一种高比表面积生物质基炭材料的免活化制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述生物质包括稻谷壳、芦苇叶、虾壳、蟹壳、桔秆、竹叶和污泥中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种高比表面积生物质基炭材料的免活化制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟乙烯、聚三氟氯乙烯、氟化乙丙烯、聚氟乙烯、含氟丙烯酸酯的共聚物以及四氟乙烯/六氟丙烯共聚物中的至少一种。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁业如，李文琪，刘应亮，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44