基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极、制备方法和超级电容器技术

一种基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，包括炭化木片基体，炭化木片基体内部具有管胞结构，炭化木片的管胞结构内通过葡萄糖和氯化钠模板构建有多孔碳骨架；葡萄糖的浓度为3mol/L

Electrode, preparation method and supercapacitor based on the construction of porous carbon skeleton in wood tracheids

【技术实现步骤摘要】
基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极、制备方法和超级电容器


[0001]本专利技术涉及一种电极材料，尤其涉及一种用于超级电容器的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极和制备方法。

技术介绍

[0002]超级电容器(SC)是一种绿色储能器件，具有电化学性能稳定、使用寿命长、充放电速率快、功率密度高、制造方便等优点。其中，电极材料是SC的核心组成部分，目前商业化所采用的碳电极材料(如：活性炭、碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯) 具有高比表面积，但其比容量十分不理想。同时对于此类碳电极材料来说随着活性物质的增加会使得电极厚度增加，其倍率性能和结构稳定性变差，限制了材料的电容性能进一步提高。因此，构建稳固的具有良好孔隙分布的三维多孔碳骨架实现电荷高速转移和离子快速动态传输，是获得高性能SC电极的关键。
[0003]天然木材碳化后能够保留木材管胞固有的三维定向碳骨架。木材衍生碳保留结构的同时展现出优异的导电性和结构稳定性，作为超级电容器自支撑电极材料具有得天独厚的优势。已有文献报道，用MnO2、Co(OH)2、和聚吡咯等活性物质来填充椴木、杨木和泡桐木的管胞，制备了一系列SC电极。在此基础上，我们以针叶木材加工残渣为基材也开发了一系列高性能SC电极材料，包括用化学方法增加木材衍生碳的比表面积、填充具有核壳结构的活性物质等。但木材管胞空腔占体积的80%左右，因此上述研究对管胞空间和活性物质的利用都较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高亲水性、高体积能量密度和优异的循环稳定性的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的超级电容器电极和制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，包括炭化木片基体，所述炭化木片基体内部具有管胞结构，所述炭化木片的管胞结构内通过葡萄糖和氯化钠模板构建有多孔碳骨架；所述葡萄糖的浓度为3mol/L
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5mol/L，所述氯化钠的浓度为1mol/L
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3mol/L。
[0006]上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，优选的，构建有多孔碳骨架的炭化木片通过氢氧化钾蚀刻处理；所述氢氧化钾的浓度为1mol/L
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3mol/L。
[0007]上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，包括以下步骤：1）将具有管胞结构的木片切成预设尺寸；2）将木片在干燥箱中预炭化3）将预炭化后的木片浸泡在3mol/L
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5mol/L的葡萄糖和1mol/L
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3mol/L的氯化钠混合溶液中，真空浸泡10小时以上；
4）将步骤3）浸泡后的木片干燥后在惰性气体保护下进行煅烧炭化，煅烧的温度为300
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850℃，时间为2
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6小时；煅烧后用去离子水清洗；步骤4）得到的电极标记为PCS@WC。
[0008]5）将步骤4）得到的木片放入到氢氧化钾溶液中，氢氧化钾的浓度为1mol/L
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3mol/L，真空浸泡2
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6小时，干燥；6）在惰性气体的保护下将步骤5）得到的木片煅烧1
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3小时，煅烧温度为650
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850℃；7）用HCl溶液清洗掉木片上多余的氢氧化钾，并用去离子水清洗至中性，HCl溶液的浓度为3
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6mol/L；得到基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，记为E
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PCS@WC。
[0009]上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，优选的，所述预炭化的温度为200
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300℃，时间为3
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6小时。
[0010]上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，优选的，所述步骤5）中放入到氢氧化钾溶液中的炭化后木片质量与氢氧化钾溶液的质量比为1:3。
[0011]一种超级电容器，包括上述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术中，利用预碳化木材表面丰富的官能团在木材衍生碳管胞内部构建三维多孔碳结构。氢氧化钾刻蚀后，E
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PCS@WC电极的结构和亲水性得到了很大的改善。该电极具有高亲水性，高体积能量密度和优异的循环稳定性。在电流密度为5mAcm
−2时，E
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PCS@WC电极的面积/体积电容为7.29Fcm
−2/145.8Fcm
−3。E
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PCS@WC//E
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PCS@WC SSC器件在功率密度为2.5 mW cm
−2时，面积/体积容量和体积能量密度分别为1.75Fcm
−2/34.99Fcm
−3和4.86mWhcm
−3。在50mAcm
−3的电流密度下，循环20000次容量保持率为98.5%。
附图说明
[0013]图1为E
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PCS@WC电极的制备流程图。
[0014]图2为WC木片的顶视SEM图图3为WC木片的截面SEM图。
[0015]图4为WC木片截面的放大SEM图。
[0016]图5为WC木片截面的进一步放大SEM图。
[0017]图6为PCS@WC电极的顶视SEM图。
[0018]图7为PCS@WC电极的放大顶视SEM图。
[0019]图8为PCS@WC电极孔道的放大顶视SEM图图9为E
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PCS@WC电极的顶视SEM图。
[0020]图10为E
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PCS@WC电极的放大顶视SEM图。
[0021]图11为E
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PCS@WC电极孔道的放大顶视SEM图。
[0022]图12为E
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PCS@WC电极的截面SEM图。
[0023]图13为PCS@WC电极孔道的放大截面SEM图。
[0024]图14为E
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PCS@WC电极孔道的放大截面SEM图。
[0025]图15为未处理木片与预碳化木片的红外图。
[0026]图16为WC、PCS@WC和E
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PCS@WC电极的XPS图。
[0027]图17为WC的高分辨率C1光谱。
[0028]图18为PCS@WC的高分辨率C1光谱。
[0029]图19为E
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PCS@WC的高分辨率C1光谱。
[0030]图20为WC、PCS@WC和E
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PCS@WC电极的Raman图。
[0031]图21为PCS@WC和E
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PCS@WC电极的氮气吸脱附曲线。
[0032]图22为PCS@WC和E
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PCS@WC电极的孔径分布图。
[0033]图23为WC的接触角图。
[0034]图24为P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，包括炭化木片基体，所述炭化木片基体内部具有管胞结构，其特征在于：所述炭化木片的管胞结构内通过葡萄糖和氯化钠模板构建有多孔碳骨架；所述葡萄糖的浓度为3mol/L
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5mol/L，所述氯化钠的浓度为1mol/L
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3mol/L。2.根据权利要求1所述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极，其特征在于：构建有多孔碳骨架的炭化木片通过氢氧化钾蚀刻处理；所述氢氧化钾的浓度为1mol/L
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3mol/L。3.根据权利要求1或2所述的基于在木材管胞中构建多孔碳骨架的电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1）将具有管胞结构的木片切成预设尺寸；2）将木片在干燥箱中预炭化3）将预炭化后的木片浸泡在3mol/L
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5mol/L的葡萄糖和1mol/L
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3mol/L的氯化钠混合溶液中，真空浸泡10小时以上；4）将步骤3）浸泡后的木片干燥后在惰性气体保护下进行煅烧炭化，煅烧的温度为300
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850℃，时间为2
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗勇锋，欧阳杰，王小满，周璀，陈洪，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：