有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于环境材料领域，具体涉及一种有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料及其制备方法，复合电极材料的制备方法依次包括以下步骤：有机生活垃圾的发酵‑水热‑冷冻干燥‑碳化‑刻蚀扩孔‑复合改性。该材料可以作为电极材料应用于超级电容器中。本发明专利技术以有机生活垃圾为原材料，制备炭气凝胶的工艺简单、成本低廉，制得的材料具有三维有序的贯穿孔道、较高的比表面积和孔体积，本发明专利技术方法制得的炭气凝胶可以与赝电容材料进行复合改性，大规模应用于超级电容器中，且成本低廉，可大规模生产。

Organic domestic refuse derived carbon aerogel composite electrode material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料及其制备方法
本专利技术涉及有机生活垃圾的治理和利用
，具体涉及一种有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，固体废弃物所造成的环境污染带来的影响日益严峻。随着城市化建设的快速发展，城市人口数量急剧增加，产生的有毒有害、难降解污染物的数量和种类日益增加，另一方面，生活垃圾的数量迅速增长，急剧缩减了垃圾填埋场的使用年限，加速封场，其中以腐坏果蔬、厨余垃圾等为代表的有机生活垃圾的数量急剧上升。2016年修正的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》将提高生活垃圾资源化利用和促进生活垃圾处理处置技术和产业的发展作为生活垃圾污染防治的重点领域。有机生活垃圾的又称湿垃圾，其主要成分包括纸、纤维、竹木、果皮、菜叶、厨余垃圾等，其特点是含水率高、热值低，难于直接焚烧发热。目前，国内外对有机生活垃圾的减量化以及处理处置方法主要是实行垃圾分类、填埋和堆肥处理。上述几种方法可在一定程度上减少生活垃圾的产量，但是填埋垃圾发酵等过程产生的恶臭气体和垃圾渗滤液会对填埋地点周围的大气和地下水会造成一定的污染。生活垃圾的资源化利用成为大家关注的热点。如CN201611006484.6公开了一种生活垃圾焚烧渣资源化方法，以生活垃圾为原料，进行焚烧，制取骨料和金属物，在一定程度上大大减少了垃圾填埋的负担；CN201510533006.X公开了一种以生活垃圾为原料，对其进行破碎、发酵、焚烧，将所得焦渣和飞灰为原料，烧制砖的垃圾减量化和资源化方法。有机生活垃圾通常含水率高、热值低，难以将其直接焚烧，而使用现有的垃圾填埋技术处理有机生活垃圾会产生大量的垃圾渗滤液和恶臭气体，对地下水和大气造成污染。
技术实现思路
本专利技术的目的是开发一种以有机生活垃圾为原料制备炭气凝胶复合电极材料，实现生活垃圾的资源化利用的同时，开发一种复合电极材料的制备方法，最终获得高性能超级电容器复合电极材料。为了达到本专利技术的目的，本专利技术提供的技术方案是：一种有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：一、有机垃圾的固体物提取：(1)将有机生活垃圾置于50～55℃的密闭环境中发酵7～10天；(2)取发酵后的有机生活垃圾置于反应釜中，并向反应釜中添加去离子水，使反应釜中的固液比为1:5～3:1；(3)将反应釜密闭，进行水热，水热反应的温度是160～180℃，水热反应的时间是10-14小时；(4)将反应产物进行固液分离，所得固体置于去离子水中透析，透析的时间为2-3天，每隔2～4小时换水一次；二、炭气凝胶的制备：(1)将透析后的固体取出，冷冻干燥，冷冻干燥的时间是40～50小时；(2)将冷干后的材料置于管式炉中，在氩气或氮气的惰性氛围下碳化，碳化的温度是800℃，碳化的时间是2-4小时；(3)将高温碳化后的炭气凝胶进行刻蚀扩孔；(4)将刻蚀后的炭气凝胶烘干，研磨备用；三、复合材料的制备：使用溶剂热法将ZIF-67转变为LDH中空纳米笼，引入的配位二价金属离子和ZIF-67的摩尔比是1:3～3:1，同时在转变过程中，向反应体系中按照炭气凝胶和LDH的质量比为1:10～4:1加入炭气凝胶。上述步骤三中，ZIF-67转变为LDH中空纳米笼的过程所使用的溶剂是乙醇，反应的温度为80-90℃，反应时间为8-10小时。上述步骤二(3)中，刻蚀剂是1mol/L的磷酸或配比为3:1～1:3的硫酸和盐酸的混酸。上述步骤三中，采用硝酸钴和二甲基咪唑为原料，使用溶液法制备ZIF-67；ZIF-67转变为中空LDH纳米笼时，配位二价金属离子是Ni、Mg或Zn。有机生活垃圾通常含有碳水化合物三维网络框架且含水率较高，理论上可以直接将其水热-碳化制备具有高比表面积、高孔隙率的炭气凝胶材料。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1、本专利技术采用溶剂热法制备具有三维中空结构的纳米LDH笼，并通过炭气凝胶的三维网络结构实现对LDH片层的限域生长，使LDH片层更加细化。本专利技术所得的复合电极材料有较大的比表面积、孔体积(纳米中空三维结构)，具有较好的结构稳定性和机械稳定性，且具有高的比电容和循环稳定性。2、本专利技术以有机生活垃圾为原料，采用发酵-水热-冷干-碳化-酸刻蚀的方法制备具有贯穿三维网络结构的炭气凝胶，所使用的原料是含水率高的有机生活垃圾，对固体废弃物的减量化和资源化有重要的意义。所得材料在催化、能源等领域具有广阔的应用前景。3、制备工艺简单，过程环保：相比于传统有机生活垃圾填埋处理造成地下水和大气污染的现状，本专利技术直接将其进行水热提取、气凝胶制备获得碳材料，可以实现生活垃圾的减量化和固废的绿色资源化。4、适用范围广，尤其适用于超级电容器的电极，将其应用于超级电容器中，比电容可以高达933.42F/g，当充放电电流为5A/g时，循环工作5000次后，电容保持率约为92.37％。附图说明：图1是实施例1的衍生炭气凝胶的透射电镜图；图2是炭气凝胶修饰的NiCo-LDH中空纳米笼复合材料的扫描电镜图；图3是衍生炭气凝胶修饰的NiCo-LDH中空纳米笼复合材料的充放电曲线(1A/g)。具体实施方式为了更清楚的理解本专利技术，以下将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术制备所得复合电极材料可以表示如下：OCS@LDH。实施例1，一种有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：一、有机垃圾的固体物提取：(1)将有机生活垃圾-腐坏苹果作为原料置于50～55℃的密闭环境中发酵10天；(2)取发酵后的有机生活垃圾置于反应釜中，并向反应釜中添加去离子水，使反应釜中的固液比为1:5；(3)将反应釜密闭，进行水热，水热反应的温度是180℃，水热反应的时间是10小时；(4)将反应产物进行固液分离，所得固体置于去离子水中透析，透析的时间为3天，每隔4小时换水一次；二、炭气凝胶的制备：(1)将透析后的固体取出，冷冻干燥，冷冻干燥的时间是48小时；(2)将冷干后的材料置于管式炉中，在氩气或氮气的惰性氛围下碳化，碳化的温度是800℃，碳化的时间是2小时；(3)将高温碳化后的炭气凝胶进行刻蚀扩孔，所使用的刻蚀剂是质量比为3:1的硫酸和盐酸的混酸，用量为每1.5克炭材料使用100毫升混酸；(4)将刻蚀后的炭气凝胶烘干，研磨备用；三、复合材料的制备：首先采用硝酸钴和二甲基咪唑为原料，使用溶液法制备ZIF-67。使用溶剂热法将ZIF-67转变为LDH中空纳米笼(该过程中，ZIF-67中的二价钴被氧化为三价钴)，引入的配位二价金属离子Ni和ZIF-67的摩尔比是3:1，此过程所使用的溶剂是乙醇，反应的温度为80℃，反应时间为10小时；同时在转变过程中，向反应体系中按照炭气凝胶和LDH的质量比为1:10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1）有机垃圾的固体物提取：/na、将有机生活垃圾置于50~55°C的密闭环境中发酵7~10天；/nb、取发酵后的有机生活垃圾置于反应釜中，并向反应釜中添加去离子水，使反应釜中的固液比为1:5~3:1；/nc、将反应釜密闭，进行水热，水热反应的温度是160~180°C，水热反应的时间是10-14小时；/nd、将反应产物进行固液分离，所得固体置于去离子水中透析，透析的时间为2-3天，每隔2~4小时换水一次；/n2）炭气凝胶的制备：/na、将透析后的固体取出，冷冻干燥，冷冻干燥的时间是40~50小时；/nb、将冷干后的材料置于管式炉中，在氩气或氮气的惰性氛围下碳化，碳化的温度是800°C，碳化的时间是2-4小时；/nc、将高温碳化后的炭气凝胶进行刻蚀扩孔；/nd、将刻蚀后的炭气凝胶烘干，研磨备用；/n3）复合材料的制备：/n使用溶剂热法将ZIF-67转变为LDH中空纳米笼，引入的配位二价金属离子和ZIF-67的摩尔比是1:3~3:1，同时在转变过程中，向反应体系中按照炭气凝胶和LDH的质量比为1:10~4:1加入炭气凝胶。/n...

【技术特征摘要】
1.有机生活垃圾衍生炭气凝胶复合电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）有机垃圾的固体物提取：
a、将有机生活垃圾置于50~55°C的密闭环境中发酵7~10天；
b、取发酵后的有机生活垃圾置于反应釜中，并向反应釜中添加去离子水，使反应釜中的固液比为1:5~3:1；
c、将反应釜密闭，进行水热，水热反应的温度是160~180°C，水热反应的时间是10-14小时；
d、将反应产物进行固液分离，所得固体置于去离子水中透析，透析的时间为2-3天，每隔2~4小时换水一次；
2）炭气凝胶的制备：
a、将透析后的固体取出，冷冻干燥，冷冻干燥的时间是40~50小时；
b、将冷干后的材料置于管式炉中，在氩气或氮气的惰性氛围下碳化，碳化的温度是800°C，碳化的时间是2-4小时；
c、将高温碳化后的炭气凝胶进行刻蚀扩孔；
d、将刻蚀后的炭气凝胶烘干，研磨备用；
3）复合材料的制备：
使用溶剂热法将ZIF-67转变为LDH中空纳米笼，引入的配位二价金属离子和ZIF-6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王倩，贺怀儒，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61