生物质多孔碳纤维、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了生物质多孔碳纤维、其制备方法及应用，涉及碳材料技术领域。生物质多孔碳纤维的制备方法包括：强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体；再将所述多孔碳纤维前驱体与强碱在600‑800℃的条件下进行反应。生物质多孔碳纤维由上述制备方法制备而得，是一种三维互联互通的多孔生物质碳材料，多孔生物碳材料具备很好的倍率性能和循环稳定性，特别适合于大尺寸的离子液体或有机电解液体系中，可以在制备储能元器件中得到应用。

【技术实现步骤摘要】
生物质多孔碳纤维、其制备方法及应用
本专利技术涉及碳材料
，且特别涉及生物质多孔碳纤维、其制备方法及应用。
技术介绍
超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量或能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用寿命；而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染。其中，碳材料因其具有较高的导电性和热稳定性，已经成为超级电容器电极材料的研究热点。传统的生物质碳材料的制备包括以下两种方法：(1)采用活化剂研磨热反应实现生物质碳材料的制备，该方法难以实现生物质碳材料内部的活化；(2)采用物理法实现生物质碳材料的制备，该方法反应周期长，得到的碳材料品质不高，存在一定的资源浪费。更为重要的是，现有的制备方法制备得到的生物质碳材料应用在储能领域中，尤其在大尺寸的离子液体和有机电解液体系中，表现出倍率性能差以及循环稳定性差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种生物质多孔碳纤维的制备方法，旨在提升生物碳材料在大尺寸的离子液体或有机电解液体系中的倍率性能和循环稳定性。本专利技术的另一目的在于提供一种生物质多孔碳纤维，其在大尺寸的离子液体或有机电解液体系中，具有很好的倍率性能和循环稳定性。本专利技术的第三目的在于提供上述生物质多孔碳纤维在制备电极材料中的应用。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出了一种生物质多孔碳纤维的制备方法，包括：r>强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体；再将所述多孔碳纤维前驱体与强碱在600-800℃的条件下进行反应。本专利技术还提出了一种生物质多孔碳纤维，由上述制备方法制备而得。本专利技术还提出了上述生物质多孔碳纤维在制备储能元器件中的应用；储能元器件为超级电容器。本专利技术实施例提供一种生物质多孔碳纤维及其制备方法的有益效果是：其通过先将强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体，一方面可以很好的实现内部木质素和半纤维素的去除，另一方面可以成功实现强碱分子在纤维内部的铆接。经过活化之后纤维的表面有很多孔洞，再经过与强碱进行热反应之后得到三维互联互通的多孔生物质碳材料。制备得到的多孔生物炭材料具备很好的倍率性能和循环稳定性，特别适合于大尺寸的离子液体或有机电解液体系中，可以在制备储能元器件中得到应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例中制备方法的原理图；图2为天然苎麻、苎麻纤维的前驱体和多孔碳纤维的SEM图像及TEM图像；图3为多孔碳纤维对称超级电容器在EMIMBF4离子液体电解液中的电化学性能测试结果；图4为实施例1中的多孔碳纤维的形貌图；图5为实施例1中多孔碳纤维的电学性能测试结果图；图6为实施例6中的多孔碳纤维的形貌图；图7为实施例6中多孔碳纤维的电学性能测试结果图；图8为实施例7中的多孔碳纤维的形貌图；图9为实施例7中多孔碳纤维的电学性能测试结果图；图10为实施例8中的多孔碳纤维的电学性能；图11为实施例8中多孔碳纤维的电学性能；图12为对比例1中多孔碳纤维的倍率性能测试图；图13为对比例1中多孔碳纤维的循环稳定性测试图；图14为对比例1中多孔碳纤维的电学性能测试图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例提供的生物质多孔碳纤维、其制备方法及应用进行具体说明。本专利技术实施例提供了一种生物质多孔碳纤维的制备方法，请参照图1，包括：S1、活化处理将植物纤维与强碱溶液混合进行活化反应，强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体，专利技术人创造性地引入活化步骤，将强碱分子嵌入植物纤维的内部，实现强碱分子在纤维内部的铆接；还可以很好的实现苎麻等原料内部木质素和半纤维素的去除。经过表征发现，经过活化处理之后，碳纤维的表面呈现多孔结构。具体地，植物纤维选自苎麻纤维或柳絮；如苎麻纤维作为天然的生物质材料，在储能方面有很大的潜力，具有较高的应用前景。具体地，活化反应中的强碱溶液为苛性碱溶液，苛性碱可以为氢氧化钾；苛性碱溶液的浓度为1-6mol/L，优选为3-4mol/L；每克苎麻纤维对应苛性碱溶液的体积为20-30mL。通过进一步控制强碱的选择、浓度和原料的用量比，使活化反应能够很好地进行，更充分地去除内部木质素和半纤维素的去除。进一步地，活化反应是在150-230℃下反应4-10h；优选地，活化反应是在170-190℃下反应5-7h。通过进一步优化活化温度和时间，使内部木质素和半纤维素能够更加充分地去除，活化温度不宜过低否则杂质不能有效去除，活化温度过高会破坏纤维的结构。进一步地，多孔碳纤维前驱体是在活化反应之后进行过滤并干燥而得，反应之后处于固液混合物的状态，通过过滤得到碳纤维前驱体，再进行干燥以去除水分。S2、热反应将多孔碳纤维前驱体与强碱进行热反应，通过活化之后的前驱体材料再与强碱进行热反应，制备得到的多孔生物炭材料具备很好的倍率性能和循环稳定性，特别适合于大尺寸的离子液体或有机电解液体系中。在一些优选的实施例中，多孔碳纤维前驱体与强碱进行热反应包括：将多孔碳纤维前驱体、强碱固体和水混合之后进行干燥得到待处理试样，再将待处理试样进行热反应。通过先与强碱和水混合再进行干燥，使强碱在材料的表面附着，这样在进行热反应之前强碱分子不仅进入材料内部还在材料的表面附着。具体地，将多孔碳纤维前驱体与强碱固体和水混合是将多孔碳纤维前驱体、强碱固体和水搅拌超声，通过搅拌超声使前驱体与强碱分子均匀混合。在一些优选的实施例中，在将多孔碳纤维前驱体与强碱固体和水混合之前，将多孔碳纤维前驱体进行粉碎，以使材料和强碱充分混合，制备得到粉末状的多孔碳纤维。在一些优选的实施例中，热反应的反应温度为600-800℃，优选为650-750℃；热反应的反应时间为20-60min，更优选为35-45min。专利技术人通过进一步调控热反应的反应温度和反应时间，在保证产品的产率基础上使反应更加充分，若反应温度过高或反应时间过长，则会出现反应充分但是产品的收率过低；若反应温度过低或反应时间过短，则会使反应不充分，也会影响材料的性能。通过控制反应温度，可以很好的控制KOH分子和C原子的反应活性，调控碳的空位缺陷。进一步地，强碱固体为苛性碱固体，优选为氢氧化钾；多孔碳纤维前驱体与强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：/n强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体；/n再将所述多孔碳纤维前驱体与强碱在600-800℃的条件下进行热反应。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括：
强碱溶液预嵌入植物纤维得到多孔碳纤维前驱体；
再将所述多孔碳纤维前驱体与强碱在600-800℃的条件下进行热反应。


2.根据权利要求1所述的生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述多孔碳纤维前驱体是在150-230℃下反应4-10h；
优选地，所述多孔碳纤维前驱体是在170-190℃下反应5-7h；
优选地，所述多孔碳纤维前驱体是在反应之后进行过滤并干燥而得。


3.根据权利要求2所述的生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述多孔碳纤维前驱体制备过程中的所述强碱溶液为苛性碱溶液，优选地，所述苛性碱为氢氧化钾；
更优选地，所述苛性碱溶液的浓度为1-6mol/L，进一步优选为3-4mol/L。


4.根据权利要求3所述的生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述植物纤维选自苎麻纤维或柳絮；
优选地，每克所述植物纤维对应所述苛性碱溶液的体积为20-30mL。


5.根据权利要求1或2所述的生物质多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述多孔碳纤维前驱体与强碱进行热反应包括：将所述多孔碳纤维前驱体、强碱固体和水混合之后进行干燥得到待处理试样，再将所述待处理试样进行热反应；
优选地，在将所述多孔碳纤维前驱体与强碱固体和水混合之前，将所述多...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨维清，王庆，卿月，段中意，熊达，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51