一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，以生物质狗尾草为原料，经丙酮和去离子水反复清洗，获得干净的前驱体材料，然后将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛中预炭化一段时间，获得生物质炭化样品，将其与KOH颗粒混合，采用去离子水使二者充分混匀，进行干燥，然后将所得混合物置于管式炭化炉中，惰性气氛下高温热处理，自然冷却至室温，将混合物依次用去离子水、稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。本发明专利技术采用生物质废弃物狗尾草为原料，实现了生物质的高附加值化，获得了新型结构的活性炭材料，在超级电容器电极材料应用方面表现出优异的电化学性能。

Preparation and Application of a Biomass-based Activated Carbon with Porous Channel and Hierarchical Pore Structure

The invention discloses a preparation method of biomass-based activated carbon material with porous channel and hierarchical porous structure. The biomass sagebrush is used as raw material, washed repeatedly by acetone and deionized water to obtain clean precursor material, and then the sagebrush precursor material is pre-carbonized in a protective atmosphere for a period of time to obtain biomass carbonization sample, which is mixed with KOH particles. Deionized water was used to mix them well and dry them. Then the mixture was placed in a tubular carbonization furnace. The mixture was heat treated at high temperature in inert atmosphere and cooled naturally to room temperature. The mixture was washed with deionized water and dilute hydrochloric acid in turn. Finally, the mixture was filtered and washed continuously with deionized water until the filtrate was neutral and dried to obtain activated carbon samples. The invention uses the biomass waste dog grass as raw material, realizes the high added value of biomass, obtains a new structure of activated carbon material, and shows excellent electrochemical performance in the application of supercapacitor electrode material.

【技术实现步骤摘要】
一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭的制备方法及应用
本专利技术涉及一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭的制备方法及应用，属于超级电容器用电极材料制备领域。
技术介绍
狗尾草，又名绿狗尾草、谷莠子、狗尾巴草，是禾本科狗尾草属植物，一年生草本植物，全球分布广泛。作为一种最常见的杂草，具有争夺肥水能力强的特点，对农作物造成严重减产的危害。狗尾草具有绒毛状或晶须状的宏观形貌，这种发达的孔状结构对于样品活化造孔具有非常有益的作用。生物质基活性炭，与导电聚合物和金属氧化物等类型的超级电容器电极材料相比，具有原料来源丰富、制造成本低、比表面积高和电化学性能稳定等诸多优点，是炭材料类电极材料中应用较为广泛的一种材料。而且生物质前驱体材料特有的微观形貌在样品预炭化和活化过程中得以保留，使得制备的活性炭具有独特的形貌结构，经检索，未发现有将狗尾草应用于炭材料的技术或方法。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，并将该生物质基活性炭材料用于超级电容器电极材料。本专利技术以狗尾草为前驱体材料制备的功能性活性炭材料，是实现生物质废弃物高附加值化、高效应用的有效途径，并且是作为超级电容器用电极材料的优异的活性炭材料。狗尾草由于具有一种独特的多孔道结构，其制备得到的活性炭样品既保留了这种多孔道结构，还在活性过程中形成了丰富的微孔和中孔，最终形成了一种具有多孔道、层级孔结构的活性炭材料。这种活性炭材料非常适合于规模化生产和制备工艺，并且在超级电容器电极材料应用方面表现出很好的应用效果，说明其具有很好的实用价值。本专利技术提供了一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，以生物质狗尾草为原料，经丙酮和去离子水反复清洗，获得干净的前驱体材料，然后将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛中预炭化一段时间，获得生物质炭化样品，将其与KOH颗粒混合，采用去离子水使二者充分混匀，进行干燥，然后将所得混合物置于管式炭化炉中，惰性气氛下高温热处理，自然冷却至室温，将混合物依次用去离子水、稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。该专利技术制备的活性炭为含有多孔道、层级孔结构的颗粒样品，具有快速的离子传递性能，是一种具有优异的倍率特性和循环稳定性的新型超级电容器电极材料。上述制备方法，主要包括如下步骤：（1）将生物质狗尾草经丙酮和去离子水反复清洗，然后干燥获得干净的前驱体材料；所述生物质狗尾草来源于草丛、沼泽地、田地中；（2）将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛环境中预炭化，预炭化温度为400-550℃，预炭化时间为1-3h，获得生物质炭化样品；（3）将上述生物质炭化样品与KOH颗粒混合，采用去离子水使二者充分混匀，在80-120℃下进行干燥，干燥时间为8-12h；生物质炭化样品与KOH颗粒的质量比为1:1~1:5；然后将所得混合物置于管式炭化炉中，保护气氛下进行高温热处理，热处理温度为600-1000℃，热处理时间为1-3h；然后自然冷却至室温，将混合物先用去离子水洗，再用稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。所述步骤（1）中的丙酮洗涤次数为3-5次，每次用量为10-20ml/g（丙酮体积与生物质质量的比）；去离子水洗涤次数为3-5次，每次用量为20-40ml/g（去离子水体积与生物质质量的比）；干燥温度为80-100℃，干燥时间为3-5h。所述步骤（2）和（3）中的保护气氛为N2或Ar中的一种，气体流速为2-10mlmin-1g-1。所述步骤（3）中的生物质炭化样品与KOH的质量比为1:1-1:5，生物质炭化样品与KOH混合后加入去离子水，二者混合后每克混合物使用去离子水的的量为10~20ml；所述步骤（3）中去离子水洗涤次数为3-5次，稀盐酸洗涤次数为2-4次；稀盐酸浓度为0.5-2mol/L；过滤采用水环真空泵，过滤所用的滤膜为PE或PP膜，过滤过程中不断采用去离子水进行洗涤，直到滤液达到中性为止；过滤后进行干燥，干燥温度为80-120℃，干燥时间为3-5h。本专利技术提供了一种采用上述的制备方法制得的具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料。本专利技术提供了上述具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料在超级电容器电极材料中的应用。其应用过程为：将生物质基活性炭、乙炔黑和聚四氟乙烯（PTFE）乳液按质量比为80:10:10或80:15:5的比例称量并混合，加入数滴无水乙醇溶液并研磨至糊状，然后均匀涂覆于1.2×1.2cm2的泡沫镍上，60-80oC真空干燥10-15h，然后用压片机在10-15MPa压力下压制成电极片，以2×2cm2的Pt电极为对电极，Hg/HgO电极为参比电极，在室温条件下采用三电极体系对其模拟超级电容器电化学性能采用恒电流充放电法（Galvanostaticcharge-discharge,GCD）和循环伏安法（Cyclicvoltammetry,CV）进行测试。所述的活性炭材料的比表面积最高能达到1641m2g-1，在0.1Ag-1电流密度下，比容量为265Fg-1，倍率性能良好：10Ag-1电流密度下仍然保持为160Fg-1，循环稳定性优异，经过5000次循环之后，电容保持率为99%以上，表明具有多孔道、层级孔结构的生物质狗尾草基活性炭是一种性能优异的超级电容器电极材料。本专利技术的有益效果：（1）本专利技术采用生物质废弃物狗尾草为原料制备了具有多孔道、层级孔结构的活性炭材料，实现了生物质的高附加值化，获得了新型结构的活性炭材料，在超级电容器电极材料应用方面表现出优异的电化学性能；（2）通过热处理温度，KOH用量的调控，可以制备不同比表面积，不同孔径大小的生物质狗尾草基活性炭材料；（3）本专利技术制备方法简单易行、科学合理、成本低廉，KOH活化剂可以回收利用制备钾盐，不会对环境造成污染，还可以实现规模化制备新型结构、高性能的超级电容器电极材料，实现了生物质废弃物在储能方面的高附加值化应用，具有良好的经济效益。附图说明图1是实施例1制备的预炭化样品的SEM照片（不同放大倍率）；图2是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭的SEM照片（不同放大倍率）；图3是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭的吸脱附等温线图；图4是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭的孔径分布图；图5是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭电极的循环伏安曲线图。图6是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭电极的比容量与电流密度关系图。图7是实施例1制备的生物质狗尾草基活性炭电极的循环稳定性能图。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例1：（1）称取狗尾草10g，用丙酮溶液洗涤3次，每次丙酮溶液用量为10ml/g(即100ml)，然后用去离子水洗涤4次，每次去离子水溶液用量为20ml/g(即200ml)，然后在80oC下干燥5h，获得干净的前驱体材料；（2）将步骤（1）中的狗尾草前驱体材料在400oC下、N2气氛环境中预炭化2h，气体流速为2mlmin-1g-1，获得生物质炭化样品；（3）称取2g步骤（2）中的生物质炭化样品，并与2gKOH颗粒混合（质量比为1:1），采用40ml（即1:10g/ml）去离子水使二者充分混匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，其特征在于：以生物质狗尾草为原料，经丙酮和去离子水反复清洗，获得干净的前驱体材料，然后将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛中预炭化一段时间，获得生物质炭化样品，将其与KOH颗粒混合，采用去离子水使二者充分混匀，进行干燥，然后将所得混合物置于管式炭化炉中，惰性气氛下高温热处理，自然冷却至室温，将混合物依次用去离子水、稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。

【技术特征摘要】
1.一种具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，其特征在于：以生物质狗尾草为原料，经丙酮和去离子水反复清洗，获得干净的前驱体材料，然后将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛中预炭化一段时间，获得生物质炭化样品，将其与KOH颗粒混合，采用去离子水使二者充分混匀，进行干燥，然后将所得混合物置于管式炭化炉中，惰性气氛下高温热处理，自然冷却至室温，将混合物依次用去离子水、稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。2.根据权利要求1所述的具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将生物质狗尾草经丙酮和去离子水反复清洗，然后干燥获得干净的前驱体材料；所述生物质狗尾草来源于草丛、沼泽地或田地中；（2）将上述狗尾草前驱体材料在保护气氛条件中预炭化，预炭化温度为400-550℃，预炭化时间为1-3h，获得生物质炭化样品；（3）将上述生物质炭化样品与KOH颗粒混合，加去离子水使二者充分混匀，在80-120℃下进行干燥，干燥时间为8-12h；生物质炭化样品与KOH颗粒的质量比为1:1~1:5；然后将所得混合物置于管式炭化炉中，保护气氛下进行高温热处理，热处理温度为600-1000℃，热处理时间为1-3h；然后自然冷却至室温，将混合物先用去离子水洗，再用稀盐酸洗涤，最后过滤并用去离子水不断洗涤直到滤液为中性，干燥，获得活性炭样品。3.根据权利要求2所述的具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的丙酮洗涤次数为3-5次，每次丙酮的用量为10-20ml/g生物质；去离子水洗涤次数为3-5次，每次去离子水的用量为20-40ml/g生物质；步骤（1）中干燥温度为80-100℃，干燥时间为3-5h。4.根据权利要求2所述的具有多孔道、层级孔结构的生物质基活性炭材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫蕊，王凯，李振中，
申请(专利权)人：太原工业学院，
类型：发明
国别省市：山西,14