一种新型高储能性能多孔碳材料的制备及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种新型高储能性能多孔碳材料，由酒糟衍生制备，先将酒糟经低温预碳化得到碳前驱体，再将碳前驱体和碱性无机物直接混合煅烧得到酒糟衍生多孔碳材料，所得材料呈蜂窝状且比表面积范围在1000‑4000 m

Preparation and application of a new porous carbon material with high energy storage performance

【技术实现步骤摘要】
一种新型高储能性能多孔碳材料的制备及其应用
本专利技术涉及超级电容器
，具体涉及一种新型高储能性能多孔碳材料的制备及其应用。
技术介绍
随着全球高速发展，对能源的需求日益增加，寻找一种绿色、环保的储能设备储存可再生能源，实现能源升级，已经迫在眉睫。超级电容器又称电化学电容器，是一种新型的电化学能量转换和储能器件，具有功率密度大、循环寿命长、使用温度范围宽等特点。近年来，超级电容器在理论研究与实际应用中均取得了重大进步，但仍面临着能量密度不足和生产成本高的问题。电极材料是超级电容器的核心部件，对超级电容器性能起至关重要的作用。于超级电容器而言，性能问题毫无疑问是研究人员关注的焦点，但在环境问题日益突出的今天，是否绿色环保，是否价格低廉等也是也是大家关注的要点，基于高分子导电聚合物的电容器材料具有较高的比电容，但是其原料及产物有毒、有污染，对人体和环境均不好，且稳定性差，聚合条件苛刻不易控制等，如聚苯胺不仅需要在冰浴条件下而且还需加入盐酸、高氯酸等强酸。生物质材料具有以下优点：1、生物质材料本身具有来源广泛、价格便宜、环境友好的优点；2、生物质材料制备的多孔碳材料普遍具备导电性好、比表面积大、化学性质稳定的优点；3、各种元素丰富，在多孔碳材料中形成杂元素，这些元素增加了材料的表面润湿性以及材料和电解液之间的接触面积，提高了赝电容效应，有利于提高超级电容器材料的比电容。因此，采用生物质材料制备碳材料是提高超级电容器性能的有效方法之一。现有技术Tang等人《ANovelPorousN-andS-Self-DopedCarbonDerivedfromChineseRiceWineLeesasHigh-PerformanceElectrodeMaterialsinaSupercapacitor.ACSSustainableChemistry&Engineering2019.》提供的技术方案为：直接用现买的糯米为原料，经一步碳化制备了生物衍生类多层石墨烯低维碳材料，获得比电容在0.5Ag-1下达289.9Fg-1的技术效果。该方法制备方法证实了上述生物质材料所具备的优点，但是存在以下技术问题：1、材料本身存在的不足，具体为，该方法选用的生物质材料为糯米，由于糯米并不具备特定的微观形貌，且未经特殊处理，所制得的碳材料比表面积仅为1371.5m2g-1，导致比电容性能较低；2、糯米作为粮食作物，本身具有较高的经济价值，市场价格超过5元/500g，且涉及国家粮食安全问题，并不具备采用“废弃”生物质材料制备碳材料，实现“变废为宝”的特点。针对上述问题，申请人认为，采用发酵的方法对以糯米为代表的生物质材料进行处理，可以有效解决上述问题：1、通过发酵过程可以产生气体，实现材料造孔效果；2、根据申请人其他研究工作成果发现，发酵过程产生的酵母细菌，由于自身具备球体的特定形貌，以及碳化过程中形成的壳核结构，可以有效提高比电容性能。此外，从产学研联动角度分析，必须对技术的经济价值进行考量。酿酒的发酵过程本身可以产生显著的经济效益，并且，所产生的酒糟的市场价格不高于1元/500g。因此，采用酒糟作为原料，不仅原料成本本身远远优于以糯米作为原料，而且可以在整个产业链上提高糯米的经济价值。同时，经申请人调研，目前酿酒企业对酒糟的处理方式极为有限。以广西桂林三花酒为例，三花酒年产1500吨以上，产生酒糟超过2000吨。如果不能喂养家畜作为饲料进行处理，就只能作为废弃物进行丢弃，造成环境问题。由于近期猪瘟对家畜养殖的严重影响，酒糟处理已经成为酿酒企业亟待解决的现实问题。如果以酒糟为原料，制备超级电容器，是一种极为有效的且富有经济价值的技术。但是，该领域的研究几乎为零。经申请人文献调研后发现，目前以酒糟作为原料，利用发酵处理制备超级电容器的相关研究只有Zhang等人《Characterizationandelectrochemicalapplicationsofacarbonwithhighdensityofsurfacefunctionalgroupsproducedfrombeeryeast.JournalofSolidStateElectrochemistry2008,13(6),887-893.》利用啤酒糟为原料，经一步碳化后得到碳材料，最高比电容达120Fg-1。该方法基本满足了前述要求，但所得材料的比电容反而较糯米为原料更低。其原因经申请人研究后发现，导致比电容较低的直接原因是，所得材料不具备多孔结构，导致碳材料的比表面积较低。而针对材料结构不理想的原因，经过深入研究发现，啤酒发酵过程为液态发酵，即在第一次渣、液分离过程，酵母主要存在液体中，与酒糟发生分离，导致大部分酒糟没有经历完整的发酵过程，也就是没有在后续发酵过程中形成足够的多孔结构，导致材料性能较低。此外，为了获得更大的比表面积，现有技术可以采用额外添加产气造孔剂，提高材料性能。Li等人《HierarchicalporousactivecarbonfromfallenleavesbysynergyofK2CO3andtheirsupercapacitorperformance.JournalofPowerSources2015,299,519-528.》以白蜡树叶为原料，通过加入K2CO3，利用受热分解产生CO2的特点，对材料的孔结构进行调控，获得了较高的比表面积2869m2g−1，并最终获得比电容最大为310Fg−1的技术效果。该方法存在的问题是：1、额外增加造孔剂在大规模生产时，极易产生造孔不足或者过度造孔，导致结构坍塌的情况，大幅增加工艺控制难度，导致严重影响产品的成品率；2、也正是由于K2CO3造孔剂对碳材料的刻蚀，导致碳材料的结构稳定性下降，这一不利影响体现在该材料作为超级电容器时的倍率性能和循环性能较差。另外，树叶本身含有的元素量少，在材料表面发生赝电容反应较难，造成性能不高。基于上述原因，申请人根据广西桂林当地产业特色，对三花酒文化进行研究发现：三花酒系用大米为原料，加入酒药小曲后，采用半固态半液态的发酵工艺酿制而成。与前述啤酒发酵过程不同，该发酵处理过程中，大米参与了一个完整的发酵，并且在发酵过程中不断分解其中的淀粉并产生CO2气体，其反应方程式为：C6H1206→2C2H5OH+2CO2。该发酵处理除了可以产生二氧化碳气体形成独特的圆形多孔结构，最为重要的是，该过程是全程半固态半液态发酵，没有在中途分离渣、液，更促进了多孔结构的形成。这些多孔通道能将自身富含的各元素更好的暴露了出来。在此多孔结构的基础上经简便的一步活化处理后就获得了丰富发达的孔隙结构，这些孔隙结构有利于材料表面润湿性、有利于带电粒子的迁移，而且自身富含的杂原子可以提高了赝电容效应，有利于更多带电粒子的储存，从而有效的提高了材料的性能。本专利技术表明，如前所料，得到了一种新型高储能性能多孔碳材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型高储能性能多孔碳材料的制备及其应用。专利技术原理为利用酒糟本身富含氮、氧、磷、硫等元素和发酵过程形成的独特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种新型高储能性能多孔碳材料，其特征在于：由酒糟经低温预碳化形成碳前驱体，再将碳前驱体和碱性无机物直接混合煅烧得到酒糟衍生多孔碳材料，所得材料呈蜂窝状且比表面积范围在1000-4000 m

【技术特征摘要】
1.一种新型高储能性能多孔碳材料，其特征在于：由酒糟经低温预碳化形成碳前驱体，再将碳前驱体和碱性无机物直接混合煅烧得到酒糟衍生多孔碳材料，所得材料呈蜂窝状且比表面积范围在1000-4000m2g-1。


2.根据权利要求1所述新型高储能性能多孔碳材料，其特征在于：所述酒糟的发酵方法为全程半固态半液态发酵。


3.根据权利要求1所述新型高储能性能多孔碳材料，其特征在于：所述酒糟为三花酒酒糟。


4.一种新型高储能性能多孔碳材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1）碳前驱体的制备，将酒糟经烘干、研磨破碎后，将所得粉末在一定条件下进行低温预碳化得到碳前驱体；
步骤2）新型高储能性能多孔碳材料的制备，按一定的质量比，将步骤1所得的碳前驱体和碱性无机物研磨混合后，在一定条件进行煅烧后，经浸泡、洗涤、过滤、烘干、研磨，即可得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭洪亮，胡芳，段典成，徐芬，孙立贤，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45