二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法技术

二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法。本发明专利技术涉及电化学储能材料领域，特别是一种铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法。本发明专利技术是为了解决现有贵金属资源匮乏造成的能源危机，生物质废弃得不到有效利用的问题。以二氧化碳作为催化剂制备高孔隙生物质碳，并且以其为基体快速合成具有多维分级结构的铁基聚阴离子复合材料。

Preparation of iron based polyanion high porosity biomass carbon composites with multi-dimensional hierarchical structure catalyzed by carbon dioxide

Carbon Dioxide Catalyzed preparation of iron based polyanionic and high porosity biomass carbon composites with multidimensional hierarchical structure. The invention relates to the field of electrochemical energy storage materials, in particular to a method of iron based polyanion anions high porosity biomass carbon composite material. The invention aims at solving the energy crisis caused by the lack of precious metal resources and the problem of effective utilization of biomass waste. High porosity biomass carbon was prepared with carbon dioxide as a catalyst, and the multidimensional structure of iron based polyanion composite was rapidly synthesized.

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法
本专利技术涉及电化学储能材料领域，特别是一种铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法。
技术介绍
能源与环境的可持续发展是目前世界所面临的首要问题之一。随着移动通讯、电动车、航空航天、可再生能源利用(如太阳能和风能)等领域的快速发展，对高性能的能量储存与转换装置的需求急速增长，极大地推动了该领域的研究和开发。高性能电极材料的发展是制约储能设备(如电池、电容器等)性能提高的主要因素。开发设计价廉、安全、环境友好、比能量高的电化学材料，是推动储能设备发展的关键，也是目前研究的重点。在现有的电极材料中，聚阴离子型化合物是一类重要的正极材料。它以聚阴离子基团(XOn)为核心结构，具有稳定的三维框架结构，良好的稳定性和安全性，是电化学储能领域重点研究对象之一。在聚阴离子材料中，铁基聚阴离子材料具有价格低廉的优势，成为目前的研究热点。但是，较低的电子导电性影响了铁基聚阴离子材料的性能。传统的碳掺杂改性方法虽然可以提高材料的导电性，但是常用的化学合成碳源(如石墨烯(Graphene)、碳纳米管(CNT)、活性炭(AC))等，需要大量对环境有污染的强氧化剂(如浓硫酸、高锰酸钾等)和化学试剂才可以合成。因此，寻找绿色、环保、低成本的新型合成方式及改性方法势在必行。生物质由丰富的羧基、羟基等极性基团构成，其内部具有大量的通气(水)孔道，可以通过适当的处理技术制备多孔结构碳源。而且，以废弃生物质为基体制备多孔碳不仅使废弃资源再次利用，还有利于环境的保护。但是，目前的处理技术不能够充分利用生物质的结构，所制备的生物质碳孔隙率低，使复合材料的性能受到影响。因而，需要研发更有效的制备方法，提高生物的利用效率，改善生物质碳的结构，从而提高复合材料的性能。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有贵金属资源匮乏造成的能源危机，生物质废弃得不到有效利用的问题，而提供了二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法。二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法具体是按以下步骤进行的：一、将生物质依次进行表面清理、酸处理和活化处理，采用蒸馏水洗涤至中性，在温度为60℃～80℃的条件下进行干燥，得到活化后产物；二、将活化后产物置于真空密闭容器中，然后向真空密闭容器中充入二氧化碳气体，抽真空，再次充入二氧化碳气体，重复操作三次，然后在二氧化碳气氛下保存24h，得到处理后的材料；三、将处理过的材料在惰性气体保护下进行碳化处理，得到高孔隙生物质碳；四、依照待复合铁基材料的化学式，按各种元素比例称取对应的制备材料，并称取相应量的氧化剂和还原剂；将称取的制备材料、氧化剂和还原剂溶解于水，加入步骤三得到的高孔隙生物质碳，在温度为80～100℃的条件下蒸干，得到前驱体粉末；所述待复合铁基材料中铁元素与氧化剂的摩尔比为1:(0.5～2)；所述氧化剂和还原剂的摩尔比为1:1；五、将前驱体粉末放入高温炉中在温度为600～800℃的条件下煅烧3min～5min，得到具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料。本专利技术制备的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料用于储能领域，如化学电源(包括锂离子电池、钠离子电池)、超级电容器等。本专利技术的有益效果：本专利技术以二氧化碳作为催化剂制备高孔隙生物质碳，并且以其为基体快速合成(3分钟内)具有多维分级结构的铁基聚阴离子复合材料的方法。该方法既可以有力缓解贵金属资源匮乏所导致的能源危机，又可以使废弃生物质得到有效利用，解决了现有高性能材料发展中的重要问题，有利于环境的保护和资源的可持续发展。以二氧化碳为催化剂所制备的生物质碳比没有催化剂所制备的产品，其孔隙率提高了30％以上。以该方法制备的高孔隙率生物质碳为基体所构成的铁基复合材料，其大电流放电性能显著提高。在30小时率下其放电容量比对比样品(即无生物质碳基体的铁基材料)提高了40％以上，实现了该材料理论容量的72％。附图说明图1为实施例一得到的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的扫描电镜图；图2为无生物碳基体的铁基聚阴离子材料的扫描电镜图；图3为实施例一得到的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的充放电曲线；图4为无生物碳基体的铁基聚阴离子材料的充放电曲线；图5为实施例四得到的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的透射电镜图；图6为实施例四得到的具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的循环性能曲线。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法具体是按以下步骤进行的：一、将生物质依次进行表面清理、酸处理和活化处理后，在温度为60℃～80℃的条件下进行干燥，得到活化后产物；二、将活化后产物置于真空密闭容器中，然后向真空密闭容器中充入二氧化碳气体，抽真空，再次充入二氧化碳气体，重复操作三次，然后在二氧化碳气氛下保存24h，得到处理后的材料；三、将处理过的材料在惰性气体保护下进行碳化处理，得到高孔隙生物质碳；四、依照待复合铁基材料的化学式，按各种元素比例称取对应的制备材料，并称取相应量的氧化剂和还原剂；将称取的制备材料、氧化剂和还原剂溶解于水，加入步骤三得到的高孔隙生物质碳，在温度为80～100℃的条件下蒸干，得到前驱体粉末；所述待复合铁基材料中铁元素与氧化剂的摩尔比为1:(0.5～2)；所述氧化剂和还原剂的摩尔比为1:1；五、将前驱体粉末放入高温炉中在温度为600～800℃的条件下煅烧3min～5min，得到具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述生物质为海带、棉花、稻米壳或香蕉皮。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述表面清理是将生物质放入清水中清洗5～10次后浸泡24h～48h。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述酸处理是采用浓度为0.5mol/L的盐酸对表面清洗后的生物质进行清洗，并采用蒸馏水洗涤至中性。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述活化处理是采用浓度为0.5～2mol/L的强碱在温度为80～150℃的条件下活化处理10h～50h，并采用蒸馏水洗涤至中性；所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中所述惰性气体为氮气或氩气。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中所述碳化处理是在温度为900℃的条件下碳化2h～4h。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中所述待复合铁基材料为LiFePO4、FePO4、Na3本文档来自技高网...

【技术保护点】
二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法，其特征在于二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料的方法具体是按以下步骤进行的：一、将生物质依次进行表面清理、酸处理和活化处理后，在温度为60℃～80℃的条件下进行干燥，得到活化后产物；二、将活化后产物置于真空密闭容器中，然后向真空密闭容器中充入二氧化碳气体，抽真空，再次充入二氧化碳气体，重复操作三次，然后在二氧化碳气氛下保存24h，得到处理后的材料；三、将处理过的材料在惰性气体保护下进行碳化处理，得到高孔隙生物质碳；四、依照待复合铁基材料的化学式，按各种元素比例称取对应的制备材料，并称取相应量的氧化剂和还原剂；将称取的制备材料、氧化剂和还原剂溶解于水，加入步骤三得到的高孔隙生物质碳，在温度为80～100℃的条件下蒸干，得到前驱体粉末；所述待复合铁基材料中铁元素与氧化剂的摩尔比为1:(0.5～2)；所述氧化剂和还原剂的摩尔比为1:1；五、将前驱体粉末放入高温炉中在温度为600～800℃的条件下煅烧3min～5min，得到具有多维分级结构的铁基聚阴离子‑高孔隙度生物质碳复合材料。...

【技术特征摘要】
1.二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法，其特征在于二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法具体是按以下步骤进行的：一、将生物质依次进行表面清理、酸处理和活化处理后，在温度为60℃～80℃的条件下进行干燥，得到活化后产物；二、将活化后产物置于真空密闭容器中，然后向真空密闭容器中充入二氧化碳气体，抽真空，再次充入二氧化碳气体，重复操作三次，然后在二氧化碳气氛下保存24h，得到处理后的材料；三、将处理过的材料在惰性气体保护下进行碳化处理，得到高孔隙生物质碳；四、依照待复合铁基材料的化学式，按各种元素比例称取对应的制备材料，并称取相应量的氧化剂和还原剂；将称取的制备材料、氧化剂和还原剂溶解于水，加入步骤三得到的高孔隙生物质碳，在温度为80～100℃的条件下蒸干，得到前驱体粉末；所述待复合铁基材料中铁元素与氧化剂的摩尔比为1:(0.5～2)；所述氧化剂和还原剂的摩尔比为1:1；五、将前驱体粉末放入高温炉中在温度为600～800℃的条件下煅烧3min～5min，得到具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料。2.根据权利要求1所述的二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述生物质为海带、棉花、稻米壳或香蕉皮。3.根据权利要求1所述的二氧化碳催化制备具有多维分级结构的铁基聚阴离子-高孔隙度生物质碳复合材料的方法，其特征在于步骤一中所述表面清理是将生物质放入清水中清洗5～10次后浸泡24h～48...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓超，张国明，张靖佳，
申请(专利权)人：哈尔滨师范大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23