一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种铅包覆甜高粱杆碳材料的制备方法包括如下具体步骤：第一步是利用5％磷酸溶液对甜高粱杆进行预处理；第二步是以预处理后的甜高粱杆为原料，在真空管式炉中，氩气气氛下，550℃加热1小时，获得到甜高粱杆基碳材料；第三步将硝酸铅溶液、四氢硼钠溶液、甜高粱杆基碳材料无水乙醇溶液进行混合，搅拌下，生成黑色沉淀物，将黑色沉淀分离，用乙醇、水洗涤黑色沉淀多次，干燥，即得到铅包覆碳材料。本发明专利技术的优点在于：由于采用溶剂法制备铅包覆碳材料，甜高粱杆基碳材料同负极活性物质铅之间具有更好的界面相容性，使活性物质的利用率大大提高，表现出较高的比容量，良好的循环性能。

Preparation and application of a lead coated sweet sorghum pole based carbon material

【技术实现步骤摘要】
一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法及其应用
：本专利技术属于铅碳电池负极材料的
，特别涉及一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法及其应用。
技术介绍
：能源草是一年生高大草本植物的总称，理想的能源草种类主要有甜高粱、柳枝稷、狼尾草等。甜高粱则是最广泛用于能源领域的能源草，印度、澳大利亚等国相继开展了以甜高粱为原料来生产乙醇燃料的研究，相对于其他经济作物，无论在产量还是在经济效益方面甜高粱都具有很大的优势。另外，甜高粱还在造酒、造纸、制糖等方面都有广泛的应用。有前人以甜高粱杆为碳源，利用活化剂ZnCl2浸渍，在不同热解温度下，制备出不同表面积的碳材料，进行吸附有害阳离子染料，达到了很好的吸附效果。有前人以甜高粱芯为碳源，采用碳化法制备出片状碳结构，应用到高能量锂离子电容器中，在10Ag-1的电流下进行5000次循环后，容量保持率为66％，具有不错的功率性能。作为在铅酸蓄电池基础上发展起来的铅碳电池，是一种兼具铅酸蓄电池高能量密度和超级电容器高功率密度特点的新型电池，在器件储能领域以及动力电池领域均有广泛应用，并且铅碳电池同传统铅酸蓄电池生产工艺类似，产业化普及较为容易。在铅碳电池负极中加入碳材料，能够在一定程度上解决电池在高倍率充放电工况下使用的不可逆硫酸盐化，从而延长铅碳电池的使用寿命。其主要原因是添加的碳材料，能够在负极材料中构建导电网络、增加双电层电容性能、增加反应活性位点等。而碳材料的加入也带来了一定问题，例如碳材料同负极活性物质之间具有明显的相界面，这种现象会导致电池在高倍率充放电工况长时间使用下运行中断；另外，也是由于碳材料的加入，使得负极析氢过电位降低，在充电过程中会产生析氢现象，多次循环之下，可能会造成电解液损失，电解液硫酸浓度增加，进一步导致负极硫酸盐化的加剧。因此，研究并解决铅碳电池中遇到的上述问题具有重要的意义。为了解决目前铅碳电池存在的问题，本专利技术以废弃甜高粱杆作为碳源，利用溶剂法制备铅包覆甜高粱杆基碳材料，利用热重曲线、红外光光谱、扫描电镜、X射线能谱、X射线粉末衍射谱、BET曲线以及拉曼光谱，分析铅包覆甜高粱杆基碳材料的热稳定性、成键结构、形貌、元素含量、相结构、比表面积及孔径分布。将自制的铅包覆甜高粱杆基碳材料同电池辅剂进行混合，制备负极材料，组装成模拟铅碳电池，对电池的首次放电性能以及循环性能进行测试与分析。结果表明，含有铅包覆甜高粱杆基碳材料组装电池具有更好的充放电效率以及循环性能。
技术实现思路
：本专利技术要解决的技术问题是提供一种比容量高、循环性能良好、制备工艺简单的铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法及其应用的制备方法及其应用。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法。其创新点在于：所述制备方法包括如下步骤：(1)将甜高粱杆洗净烘干，用剪刀将甜高粱杆剪成1厘米的小段，将该剪碎的甜高粱杆浸泡在配置好的质量分数为5％的磷酸溶液中，在50℃条件下浸泡处理24小时，过滤分离出浸泡处理后的甜高粱杆，用蒸馏水冲洗至溶液为中性，置于90℃的烘箱中烘干24小时；(2)将步骤(1)中烘干的甜高粱杆，置于封闭式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的甜高粱杆粉末，称取2.0g甜高粱杆粉末，转入石英舟中，将石英舟置于真空管式炉中，氩气气氛下，550℃加热1小时，其中控制氩气流速为100mL/min，升温速率为5℃/min，自然冷却至室温，即得到甜高粱杆基碳材料；(3)称取3.31克硝酸铅溶于50mL水，1.89克四氢硼钠溶于50mL水，以及0.01克步骤(2)所得的甜高粱杆基碳材料溶于50mL无水乙醇中；(4)将步骤(3)配好的硝酸铅溶液置于烧瓶中，边搅拌边加入25mL步骤(3)已经配制好的甜高粱杆基碳材料的乙醇溶液，搅拌1h，冰水浴中逐滴加入步骤(3)配好的四氢硼钠溶液(作为还原剂)，搅拌45min，至黑色沉淀物生成，过滤黑色沉淀物，向滤液中加入剩下的25mL甜高粱杆基碳材料乙醇溶液，继续搅拌45min，再分离生成的黑色沉淀分离，用乙醇、水洗涤获得的黑色沉淀多次，将黑色沉淀置于50℃的真空干燥箱中干燥8小时，即得到铅包覆甜高粱基杆碳材料。一种上述制备方法制备的铅包覆甜高粱杆基碳材料的应用，其创新点在于：所述铅包覆甜高粱杆基碳材料在铅碳电池负极材料中的应用。本专利技术的优点在于：由于采用溶剂法制备铅包覆甜高粱杆基碳材料，甜高粱杆基碳材料同负极活性物质铅之间具有更好的界面相容性，使活性物质的利用率大大提高，因此铅包覆甜高粱杆基碳材料比容量较高，具备良好的循环性能。采用能谱分析仪、扫描电子显微镜、X-射线衍射谱仪、比表面吸附仪对甜高粱杆基碳材料以及铅包覆甜高粱杆基碳材料的元素组成、表面形貌、相结构、比表面积以及孔径分布进行表征与分析。将含有铅包覆甜高粱杆基碳材料的负极材料，组装成铅碳电池，利用充放电测试仪进行首次充放电性能以及循环寿命进行测试分析。附图说明图1为本专利技术实施例中甜高粱杆基碳材料(图1(a))以及铅包覆甜高粱杆基碳材料(图1(b))的扫描电镜图。图2为本专利技术实施例中甜高粱杆基碳材料(图2(a))以及铅包覆甜高粱杆基碳材料(图2(b))的X射线能谱图。图3(a)为本专利技术实施例中甜高粱杆基碳材料气吸附—脱附曲线图以及孔径分布图。图3(b)为本专利技术实施例重铅包覆甜高粱杆基碳材料的氮气吸附—脱附曲线图以及孔径分布图。图4为本专利技术实施例中甜高粱杆基碳材料(图4(a))以及铅包覆甜高粱杆基碳材料(图4(b))的X射线粉末衍射线谱图。图5为本专利技术实施例中含有铅包覆碳材料的负极材料(铅膏)和含有甜高粱杆基碳材料与铅粉研磨制备的对照样品材料的首次充放电曲线图。图6为本专利技术实施例中含有铅包覆碳材料的负极材料(铅膏)和含有甜高粱杆基碳材料与铅粉研磨制备的对照样品材料循环寿命曲线图。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：利用利用溶剂法制备铅包覆甜高粱杆基碳材料的具体步骤为：(1)将甜高粱杆洗净烘干，用剪刀将甜高粱杆剪成1cm的小段，将该剪碎的甜高粱杆浸泡在配置好的质量分数为5％的磷酸溶液中，在50℃条件下浸泡处理24h，过滤分离出浸泡处理后的甜高粱杆，用蒸馏水冲洗至溶液为中性，置于90℃的烘箱中烘干24h。(2)将步骤(1)中烘干的甜高粱杆，置于封闭式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的甜高粱杆粉末，称取2.0g甜高粱杆粉末，转入石英舟中，将石英舟置于真空管式炉中，氩气气氛下，550℃加热1h，其中控制氩气流速为100mL/min，升温速率为5℃/min，自然冷却至室温，即得到甜高粱杆基碳材料。(3)称取3.31gPb(NO3)2溶于50mL水，1.89gNaBH4溶于50mL水，以及0.01g步骤(2)所得的甜高粱杆基碳材料溶于50mL无水乙醇中。(4)将步骤(3)配好的Pb(NO3)2溶液置于烧瓶中，边搅拌边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：/n(1)将甜高粱杆洗净烘干，用剪刀将甜高粱杆剪成1厘米的小段，将该剪碎的甜高粱杆浸泡在配置好的质量分数为5％的磷酸溶液中，在50℃条件下浸泡处理24小时，过滤分离出浸泡处理后的甜高粱杆，用蒸馏水冲洗至溶液为中性，置于90℃的烘箱中烘干24小时；/n(2)将步骤(1)中烘干的甜高粱杆，置于封闭式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的甜高粱杆粉末，称取2.0g甜高粱杆粉末，转入石英舟中，将石英舟置于真空管式炉中，氩气气氛下，550℃加热1小时，其中控制氩气流速为100mL/min，升温速率为5℃/min，自然冷却至室温，即得到甜高粱杆基碳材料；/n(3)称取3.31克硝酸铅溶于50mL水，1.89克四氢硼钠溶于50mL水，以及0.01克步骤(2)所得的甜高粱杆基碳材料溶于50mL无水乙醇中；/n(4)将步骤(3)配好的硝酸铅溶液置于烧瓶中，边搅拌边加入25mL步骤(3)已经配制好的甜高粱杆基碳材料的乙醇溶液，搅拌1h，冰水浴中逐滴加入步骤(3)配好的作为还原剂的四氢硼钠溶液，搅拌45min，至黑色沉淀物生成，过滤黑色沉淀物，向滤液中加入剩下的25mL甜高粱杆基碳材料乙醇溶液，继续搅拌45min，再分离生成的黑色沉淀分离，用乙醇、水洗涤获得的黑色沉淀多次，将黑色沉淀置于50℃的真空干燥箱中干燥8小时，即得到铅包覆甜高粱杆基碳材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种铅包覆甜高粱杆基碳材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
(1)将甜高粱杆洗净烘干，用剪刀将甜高粱杆剪成1厘米的小段，将该剪碎的甜高粱杆浸泡在配置好的质量分数为5％的磷酸溶液中，在50℃条件下浸泡处理24小时，过滤分离出浸泡处理后的甜高粱杆，用蒸馏水冲洗至溶液为中性，置于90℃的烘箱中烘干24小时；
(2)将步骤(1)中烘干的甜高粱杆，置于封闭式研磨机中进行研磨，研磨成300-400目的甜高粱杆粉末，称取2.0g甜高粱杆粉末，转入石英舟中，将石英舟置于真空管式炉中，氩气气氛下，550℃加热1小时，其中控制氩气流速为100mL/min，升温速率为5℃/min，自然冷却至室温，即得到甜高粱杆基碳材料；
(3)称取3.31克硝酸铅溶于50mL水，1.89克四...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峥，梁秋群，艾慧婷，冯玮怡，覃世乐，王浩，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45