掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用。以剑麻纤维为碳源，通过加入咔唑化合物的形式掺杂氮元素，制备掺杂剑麻纤维基多孔炭材料。本发明专利技术制备方法简单，条件温和；所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料能代替部分铅碳电池的负极铅膏中的碳材料，能极大提高铅碳电池的电化学性能。

Preparation and application of multi hole carbon electrode materials doped with sisal fiber

The invention discloses a preparation method and application of a multi hole carbon electrode material doped with sisal fiber base. Using the sisal fiber as the carbon source and the addition of nitrogen elements in the form of carbazole compounds, the porous carbon materials of the doped sisal fiber base are prepared. The preparation method of the invention is simple, mild conditions; carbon materials prepared by doping negative paste of sisal fiber based porous carbon electrode materials can replace part of lead carbon battery in, can greatly improve the electrochemical performance of lead carbon batteries.

【技术实现步骤摘要】
掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及电极材料
，涉及一种掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用，尤其涉及一种咔唑掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用。
技术介绍
近年来，我国汽车产业的不断发展。数据显示截至2016年底，全国机动车保有量达2.9亿辆，是2007年的5倍，稳居世界第二。由于大量使用不可再生的天然化石能源作为动力能源，产生的汽车尾气是导致城市雾霾与空气污染的重要原因之一。为了避免不可再生能源给环境带来的污染，因此，大力发展新能源汽车势在必行，如节能减排的电动汽车。而如何使得电动汽车产业化关键在于电池的性能是否具有良好的效果。铅碳电池是铅酸电池和超级电容器的两者融合的产物，兼具铅酸电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度两个优点。可以利用在需要快速充放电、长期欠充电等常规电池无法运用的领域。另外，铅碳电池的工艺与现有的铅酸电池的生产工艺相似，产业化难度不是很大。随着研究的进一步深入，未来铅碳电池因具备高性价比等优势成为电动汽车动力能源的首选。就目前而言，仍有两大难题阻碍铅碳电池的推广使用。首先是电池在部分荷电状态高倍率充放电（HRPSoC）模式下工作，铅碳电池负极不可逆硫酸盐化现象极为严重，其次是析氢现象不易解决，导致铅碳电池的循环寿命减短。生物碳材料具有价格低廉、来源丰富和可循环利用的特点，被广泛应用到能量转换和能量储存领域。剑麻纤维作为一种天然热带作物，主要产地是华南地区，具有生长快、产量高等特点。广西是种植剑麻纤维的主要产地之一。据不完全统计，广西区剑麻纤维的生产量达全国总量的80%。因此，如何利用好剑麻纤维以及提高剑麻纤维的附价值是值得关注的课题。碳材料具有良好的电容性质和较高的导电率，与铅碳电池中Pb/PbSO4的工作电势相匹配，同时也与铅活性物质有很好的相容性，碳材料在电池放电过程产生的PbSO4晶体之间形成了导电网络，促进了铅的还原，抑制了PbSO4晶粒的团聚。因此，铅碳电池与铅酸蓄电池相比较，在高倍率部分荷电态（HRPSoC）下循环，发生负极不可逆硫酸盐化现象得到极大的改善，但仍然存在一定程度的硫酸盐化、析氢等问题，这阻碍了铅碳电池产业化进程。文献表明，氮原子在超级电容器中掺杂会引起额外的赝电容效应，添加氮原子同时也能够提升电极和电解液之间的润湿能力，增强电解液离子的传输能力以及提高碳材料的导电性。因此掺杂异质原子能够增强电池的倍率性能。碳与氮元素在周期表中处于相邻的位置，且碳原子与氮原子的电负性相近,两原子半径相差不大，掺杂后材料畸变比较小，所以氮原子较易掺杂在碳材料中。使用氮原子掺杂的碳材料能够在一定程度上抑制析氢现象的发生，因为氮原子的电负性比碳原子略大，导致碳原子缺电子，从而减弱氢气的生成。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法及其应用。具体步骤为：（1）用剪刀将剑麻纤维剪成1厘米左右，将配制好的质量百分比浓度为5%的氢氧化钠溶液倒入剑麻纤维中浸泡24小时，再用配制好的质量百分比浓度为5%的磷酸溶液浸泡24小时；浸泡完后，从中捞出剑麻纤维，放入烘箱中干燥8小时，温度为90℃。（2）将步骤(1)所得剑麻纤维放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的剑麻纤维粉末。（3）称取8g步骤(2)所得剑麻纤维粉末和0.3g咔唑溶于30mL无水乙醇中，在90℃下边加热边搅拌至乙醇挥发完全得混合物。(4)将步骤(3)所得混合物置于管式炉中进行炭化，在N2气氛下400℃加热1小时，保温1小时，其中N2流速控制为100mL/min，升温速度为10℃/min。（5）将步骤(4)所得物冷却至室温，按照步骤(4)所得物与KOH摩尔比为1:3的比例称取KOH，将步骤(4)所得物与KOH混合，并加入30mL去离子水，转入烧杯中，放入烘箱，在110℃下干燥24小时；将其转移至管式炉中，在250-750℃活化温度下，N2气氛中1小时活化，再保温1小时。（6）步骤(5)所得物用30mL浓度为0.1mol/L的盐酸洗涤，转移至真空干燥箱中，110℃加热1小时，用去离子水洗涤至洗涤液pH=7，再在105℃下干燥8小时，得到掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料。掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料能代替部分铅碳电池的负极铅膏中的碳材料，能极大提高铅碳电池的电化学性能。本专利技术制备方法简单，条件温和；以剑麻纤维为碳源，通过加入咔唑化合物的形式掺杂氮元素，以制备掺杂剑麻纤维基多孔炭材料，将掺杂剑麻纤维基多孔炭材料置于铅膏中，组装成模拟铅碳电池，测定其首次充放电曲线、循环寿命，结果表明，与未掺杂剑麻纤维基多孔炭材料相比，含有掺杂剑麻纤维基多孔炭材料的负极材料，具有较优的充放电性能，充电电压更高，放电平台更宽，比容量更大，这说明在铅膏中加入掺杂剑麻纤维基多孔炭材料，对铅碳电池负极不可逆硫酸盐化和析氢现象有一定的抑制作用。附图说明图1为本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的循环伏安图。图3为本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的电化学交流阻抗谱图。图4本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的粒径分布曲线图。图5本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的BET吸附脱附曲线图。图6为本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料制作的铅膏为工作电极的首次充放电曲线图。图7为本专利技术实施例中所制备的掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料制作的铅膏为工作电极的循环寿命曲线图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步阐明本专利技术，但实施例并不限制本专利技术的保护范围。实施例:（1）用剪刀将剑麻纤维剪成1厘米左右，将配制好的质量百分比浓度为5%的氢氧化钠溶液倒入剑麻纤维中浸泡24小时，再用配制好的质量百分比浓度为5%的磷酸溶液浸泡24小时；浸泡完后，从中捞出剑麻纤维，放入烘箱中干燥8小时，温度为90℃。（2）将步骤(1)所得剑麻纤维放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的剑麻纤维粉末。（3）称取8g步骤(2)所得剑麻纤维粉末和0.3g咔唑溶于30mL无水乙醇中，在90℃下边加热边搅拌至乙醇挥发完全得混合物。(4)将步骤(3)所得混合物置于管式炉中进行炭化，在N2气氛下400℃加热1小时，保温1小时，其中N2流速控制为100mL/min，升温速度为10℃/min。（5）将步骤(4)所得物冷却至室温，按照步骤(4)所得物与KOH摩尔比为1:3的比例称取KOH，将步骤(4)所得物与KOH混合，并加入30mL去离子水，转入烧杯中，放入烘箱，在110℃下干燥24小时；将其转移至管式炉中，在550℃活化温度下，N2气氛中1小时活化，再保温1小时。（6）步骤(5)所得物用30mL浓度为0.1mol/L的盐酸洗涤，转移至真空干燥箱中，110℃加热1小时，用去离子水洗涤至洗涤液pH=7，再在105℃下干燥8小时，得到掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料。掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的扫描电镜、循环伏安曲线图、电化学交流阻抗谱图、粒径分布曲线图分别见图1、图2、图3和图4。（7）铅膏的配制：将步骤（6）所得掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料与负极活性物质（铅粉15，氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为： （1）用剪刀将剑麻纤维剪成 1 厘米左右，将配制好的质量百分比浓度为 5 %的氢氧化钠溶液倒入剑麻纤维中浸泡24 小时，再用配制好的质量百分比浓度为5 %的磷酸溶液浸泡 24 小时；浸泡完后，从中捞出剑麻纤维，放入烘箱中干燥 8小时，温度为 90℃ ；（2）将步骤(1)所得剑麻纤维放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成 300‑400 目的剑麻纤维粉末；（3）称取 8g 步骤(2)所得剑麻纤维粉末和 0.3 g 咔唑溶于 30 mL 无水乙醇中，在 90 ℃下边加热边搅拌至乙醇挥发完全得混合物；(4)将步骤(3)所得混合物置于管式炉中进行炭化，在 N 2 气氛下 400 ℃加热 1小时，保温 1小时，其中 N 2 流速控制为 100 mL/min，升温速度为 10 ℃/min；（5）将步骤(4)所得物冷却至室温，按照步骤(4)所得物与KOH 摩尔比为1:3 的比例称取KOH，将步骤(4)所得物与KOH混合，并加入 30mL 去离子水，转入烧杯中，放入烘箱，在 110 ℃下干燥 24小时；将其转移至管式炉中，在 250‑750 ℃活化温度下，N 2 气氛中 1小时活化，再保温 1小时；（6）步骤(5)所得物用 30 mL浓度为0.1 mol/L 的盐酸洗涤，转移至真空干燥箱中，110℃加热 1小时，用去离子水洗涤至洗涤液 pH=7，再在 105 ℃下干燥 8小时，得到掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料。...

【技术特征摘要】
1.一种掺杂剑麻纤维基多孔炭电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：（1）用剪刀将剑麻纤维剪成1厘米左右，将配制好的质量百分比浓度为5%的氢氧化钠溶液倒入剑麻纤维中浸泡24小时，再用配制好的质量百分比浓度为5%的磷酸溶液浸泡24小时；浸泡完后，从中捞出剑麻纤维，放入烘箱中干燥8小时，温度为90℃；（2）将步骤(1)所得剑麻纤维放入密封式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的剑麻纤维粉末；（3）称取8g步骤(2)所得剑麻纤维粉末和0.3g咔唑溶于30mL无水乙醇中，在90℃下边加热边搅拌至乙醇挥发完全得混合物；(4)将步骤(3)所得混合物置于管式炉中进行炭化，在N2气氛下400℃加热1小时，保温1小时，其中N2流速控制为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峥，王浩，韩佳星，钟寒阳，张淑芬，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45