一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用技术

本发明专利技术属于生物碳材料制备技术领域，具体公开了一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用，该方法将采集的水葫芦生物质洗净、干燥并粉碎后，首先利用水热处理过程降解去除生物质中易降解的半纤维素及低分子量糖类，得到具有众多大分子孔洞的褐煤状水热碳，再利用高温熔盐热解过程将水热碳进一步碳化、活化，继而得到孔结构丰富、富含表面官能团的多孔生物碳材料。本发明专利技术所制备的生物碳在应用于超级电容器储能材料时，表现出优异的比电容性能。另外，本发明专利技术将大宗水生植物水葫芦转化成为高性能的生物碳材料，不仅实现了水葫芦生物质的处理处置问题，而且可以变废为宝，实现废弃生物质的高附加值资源化转化利用。

Method and application of preparing porous carbon material using water hyacinth

The invention belongs to the technical field of biological carbon material preparation, and specifically discloses a method and application of making use of water hyacinth to prepare porous carbon material. After washing, drying and crushing the collected water hyacinth biomass, the degradation of the biodegradable hemicellulose and low molecular weight sugar in biomass is degraded by the hydrothermal treatment process. The lignite hydrothermal carbon with large molecular holes was obtained, and the hydrothermal carbon was further carbonized and activated by the pyrolysis of high temperature molten salt, and then the porous bio carbon material rich in pore structure and rich in surface functional groups was obtained. The biochar prepared by the invention has excellent specific capacitance performance when applied to super capacitor energy storage materials. In addition, the present invention transforms the water hyacinth into a high performance bio carbon material, which not only realizes the treatment and disposal of the biomass of water hyacinth, but also can be used as a treasure to realize the high value-added resource conversion and utilization of waste biomass.

【技术实现步骤摘要】
一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及应用
本专利技术属于生物碳材料制备
，具体涉及一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法及所制备多孔碳材料的应用。
技术介绍
水葫芦，又称为凤眼莲。由于其生长迅速，繁殖能力强，可用于治理水体富营养化氮、磷污染问题。然而，水葫芦的引入虽然使水质得到明显的改善，但吸收大量氮、磷营养元素后水葫芦迅速繁殖并覆盖湖面，其处理处置问题对管理人员造成困扰。若不及时打捞，覆盖于湖面的大量水葫芦会影响湖体阳光的照射及氧气的溶解，久而久之会造成水体的厌氧环境，生物群落消殆，水质急剧恶化；而打捞过程除了高昂的打捞成本外，如何处理数量庞大的水葫芦废弃物也是一个棘手问题。现有的填埋法或者堆制有机肥、土壤改良剂等技术均较为粗放，利用附加值较低。从另一角度来看，水葫芦是一种典型的水生纤维生物质，数量庞大的水葫芦蕴藏着巨大的生物质资源。如果能将这些水葫芦加以利用，不仅可解决这一大宗水生植物的处理处置问题，还可以变废为宝，将其转化为高附加值产品。因此，本专利技术提出了一种水葫芦基高性能多孔生物碳材料的制备方法，将废弃生物质水葫芦转化为具有丰富孔结构的活性碳材料，不仅解决了水葫芦的处理处置问题，还可将水葫芦资源化利用，制备的活性碳应用于新能源领域的超级电容器电极材料，具有显著的环境效益及经济效益。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水葫芦基多孔生物碳材料的制备方法，该方法首先采用水热降解过程去除纤维生物质水葫芦中的半纤维素，制得含有众多大分子孔洞的水热碳；再利用高温熔盐处理过程将水热碳予以碳化、活化，水热过程形成的大分子孔洞为熔盐的催化、活化作用提供了大量的活化位点，从而制得孔结构丰富的生物碳材料。并且本专利技术为泛滥成灾的水葫芦治理及这一废弃生物质的资源化转化利用提供了一条有效途径。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案为：一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：(1)水葫芦的预处理：取水葫芦的茎部，洗净、干燥，然后粉碎成水葫芦粉末；(2)水热处理：称取一定量步骤(1)中的水葫芦粉末，与一定量的去离子水加入到水热反应釜中，混合均匀；然后将反应釜置于180～230℃温度下水热反应12～48h，反应完后产物过滤、烘干，得到褐煤状生物质水热碳；(3)熔盐活化处理：取步骤(2)中得到的水热碳，加入一定量的金属盐，混合均匀后置于刚玉瓷舟，放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于500～900℃煅烧1～4h，煅烧结束后冷却至室温，将产物经过酸洗、水洗、过滤、干燥，即得所述多孔碳材料。其中，步骤(1)中采用超声仪进行洗净，所述干燥的过程为：自然风干5～6天，再于烘箱中80～120℃干燥12～48h；所述粉碎的过程为：用粉碎机将干燥的水葫芦茎部粉碎，并过20～80目筛。优选的，步骤(2)中水葫芦粉末与去离子水的质量比为1:4～1:10。优选的，步骤(3)中水热碳与金属盐的质量比为1:1～1:5。优选的，所述金属盐选自KOH、Na2CO3-K2CO3二元混盐和KOH-K2CO3二元混盐中的一种或多种，进一步，所述Na2CO3-K2CO3二元混盐为Na2CO3和K2CO3摩尔比为59:41的混合物，所述KOH-K2CO3二元混盐为KOH和K2CO3摩尔比为1:1的混合物。优选的，所述惰性气体为高纯N2或高纯Ar。优选的，步骤(3)中酸洗是采用5wt％的稀盐酸浸泡清洗；水洗是采用去离子水将产物洗至洗涤液呈中性。另外，本专利技术还要求保护所述制备方法所制备得到的多孔碳材料以及该多孔碳材料在超级电容器中的应用。具体的，所述的多孔碳材料可用作超级电容器储能材料、电化学降解电极材料、电吸附电极材料和/或污染物吸附材料。与现有技术相比，本专利技术的技术效果为：(1)本专利技术以水葫芦为前驱体，由于水葫芦属于纤维生物质，其主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。其中，纤维素是由葡萄糖通过脱水缩合形成的链状大分子聚合物拧合而成的纤维束状物质，半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维素，而木质素覆盖和凝合着各种物质，这种特殊的结构造成了生物质的高度稳定性，使得包括熔盐离子在内的活化物质很难渗透到生物质内部，因而活化作用仅仅停留在生物质表面，熔盐活化处理过程收效甚微。而单一水热碳化法制备的碳材料，碳化程度较低，且比表面积有限，孔隙结构欠发达。因此，本专利技术首先利用水热过程，将水葫芦中易降解的半纤维素完全水解为可溶性的低聚糖和单糖，使得生物质表面留下众多大分子孔洞，得到碳化程度较低的褐煤状水热生物碳；再将预先水热处理后的生物碳与熔盐以一定比例混合，高温熔盐利用这些大分子孔洞，与水热生物碳更加充分地接触，于高温和熔盐的双重作用下，生物质快速热解；热解产生气体的析出过程和活性金属离子的催化作用，使水葫芦水热碳转化为孔结构更丰富、比表面积大的活性碳材料；(2)本专利技术所采用的生物质原料水葫芦在生长过程中吸收的磷元素本身具有一定的催化活性，对生物质的水热降解和水热碳的熔盐活化过程具有一定的促进作用，更有利于碳材料丰富孔结构的形成；此外，水葫芦生长过程吸收的氮元素仍然以官能团的形式存在于碳材料表面，这些杂原子的引入可显著提升碳材料作为电化学储能材料的赝电容性能。另外，熔盐还可以截留住生物质中的有害物质，从而提高碳材料的纯度；(3)本专利技术将废弃生物质水葫芦转化为具有丰富孔结构的活性碳材料，不仅解决了水葫芦的处理处置问题，还可将水葫芦资源化利用，制备的活性碳应用于新能源领域的超级电容器电极材料，具有显著的环境效益及经济效益。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备多孔碳材料的SEM图；图2为本专利技术实施例1和对比例1所制备多孔碳材料的比电容性能图；图3为本专利技术实施例1和对比例2所制备多孔碳材料的比电容性能图；图4为本专利技术实施例1和对比例3所制备多孔碳材料的比电容性能图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术的技术方案做进一步的阐述：以下诸实施例和对比例中，Na2CO3-K2CO3二元混盐为Na2CO3和K2CO3摩尔比为59:41的混合物，KOH-K2CO3二元混盐为KOH和K2CO3摩尔比为1:1的混合物。实施例1一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法，包括以下步骤：(1)水葫芦的预处理：取水葫芦的茎部，洗净，自然风干5～6天，再于烘箱中105℃干燥24h，然后用粉碎机将干燥的水葫芦茎部粉碎，并过40目筛；(2)水热处理：称取6.0g步骤(1)中的水葫芦粉末，与60mL去离子水加入到水热反应釜中，混合均匀；然后将反应釜置于200℃温度下水热反应24h，反应完后过滤、烘干，得到褐煤状生物质水热碳；(3)熔盐活化处理：取2.0g步骤(2)中得到的水热碳，加入8.0gNa2CO3-K2CO3混盐，混合均匀后置于刚玉瓷舟，放入管式炉中，在N2气体的保护下，于850℃煅烧1h，煅烧结束后冷却至室温，将产物采用5wt％的稀盐酸浸泡清洗后去离子水洗涤至中性、过滤、干燥，即得所述多孔碳材料，其比表面积达1501m2/g。将本实施例所制备的多孔碳材料应用于超级电容器储能材料的电极制作和性能测试，具体方法为：将制备的多孔碳材料、导电剂乙炔黑和粘结剂(聚四氟乙烯乳液，固含量～60％)以质量比8:1:1混合，加入4mL无水乙醇后超声分散，然后经磁力搅拌6h充分混匀，再于烘箱中干燥至乙醇挥发后将混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)水葫芦的预处理：取水葫芦的茎部，洗净、干燥，然后粉碎成粉状；(2)水热处理：称取一定量步骤(1)中的水葫芦粉末，与一定量的水加入到水热反应釜中，混合均匀；然后将反应釜置于180～230℃温度下水热反应12～48h，反应完后产物过滤、烘干，得到褐煤状生物质水热碳；(3)熔盐活化处理：取步骤(2)中得到的水热碳，加入一定量的金属盐，混合均匀后置于刚玉瓷舟，放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于500～900℃煅烧1～4h，煅烧结束后冷却至室温，将产物经过酸洗、水洗、过滤、干燥，即得所述多孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用水葫芦制备多孔碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)水葫芦的预处理：取水葫芦的茎部，洗净、干燥，然后粉碎成粉状；(2)水热处理：称取一定量步骤(1)中的水葫芦粉末，与一定量的水加入到水热反应釜中，混合均匀；然后将反应釜置于180～230℃温度下水热反应12～48h，反应完后产物过滤、烘干，得到褐煤状生物质水热碳；(3)熔盐活化处理：取步骤(2)中得到的水热碳，加入一定量的金属盐，混合均匀后置于刚玉瓷舟，放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于500～900℃煅烧1～4h，煅烧结束后冷却至室温，将产物经过酸洗、水洗、过滤、干燥，即得所述多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用超声仪进行洗净，所述干燥的过程为：自然风干5～6天，再于烘箱中80～120℃干燥12～48h；所述粉碎的过程为：用粉碎机将干燥的水葫芦茎部粉碎，并过20～80目筛。3.根据权利要求1或2所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤迪勇，孙杰，杨葆坤，雷炜东，田文龙，陈柯，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42