一种镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物质材料与纳米材料技术领域，具体涉及一种镍掺杂木质素多孔碳气凝胶复合材料的制备方法，包含：（1）将一定量的木质素加入水中，超声处理后持续搅拌使其充分溶解；（2）将木质素水溶液预冻后，充分冷冻干燥；（3）将所得木质素基气凝胶在惰性气体下高温碳化并活化；（4）将所得的碳气凝胶进行活化，并将活化的产物与硝酸镍配置成悬浮液；（5）离心分离后高温处理，自然冷却至室温即可。本发明专利技术制备的镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料具备生物环保、镍掺杂均匀、孔隙结构丰富以及电化学性能优异等优点，可作为理想的超级电容器电极材料。极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物质材料与纳米材料
，具体是一种镍掺杂木质素多孔碳气凝胶复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着能源结构战略性调整的不断进行,为解决新型绿色能源以及能源利用方面的各种问题,人们对储能设备的要求也将越来越高。超级电容器作为低成本、低碳排放的环保型能量转换和储存系统装置，已经广泛的应用于各个领域。目前，开发和研究新的并且价格低廉电极材料和电解质材料以满足高电压和高低温性能是未来超级电容器的主要研究方向。
[0003]木质素基碳气凝胶正符合这一要求，木质素作为含量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，是一种良好的碳材料前体，因为木质素含有高含量的碳元素，由于其芳香环结构而具有极高的热稳定性，这证明了它在制备碳材料和超级电容器电极等方面的潜力。碳气凝胶以整体、珠状、粉末或薄膜的形式存在，它们具有高孔隙率、非结晶性、网络结构、高比表面积、孔结构可控、超低密度、大比表面积、高导电性、热稳定性和化学稳定性以及良好的机械性能的独特组合以及良好的双电层电容和电导率。因此，可以很好的应用在超级电容器电极材料的制备上。
[0004]氧化镍纳米颗粒是一种典型的过渡金属氧化物，具有较高的比电容量，是一种理想的赝电容电极材料。但是由于其在电化学循环过程中形貌和微结构会发生变化，所以具有较低的导电性和较差的循环稳定性。目前，将金属氧化物和多孔碳材料结合，是解决该问题的有效策略。
[0005]本专利技术选用一些绿色环保的原料，通过超声分散、冷冻干燥、高温碳化等方法制备了一种新型的镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料，可以用于制备超级电容器电极。该材料具备较大的比表面积、丰富的三维孔洞结构，有利于离子和电子的快速传输；木质素天然的三维芳香网络结构对合成的碳气凝胶的结构稳定性有很大帮助，也保证了电极材料的循环稳定性；氧化镍的负载对碳气凝胶石墨化程度的提高以及碳气凝胶对金属氧化物离子的分散性和导电性的提高，极大的提高了材料的比电容。故本专利技术以木质素为基体负载氧化镍纳米颗粒制备了镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料。

技术实现思路

[0006]为了针对目前制备碳气凝胶作为超级电容器电极材料，存在的制备成本高、原料昂贵、制备周期长等问题，本专利技术提供一种以生物质基碳气凝胶材料的制备方法，本专利技术原料绿色环保，生产成本低，所制备的导电碳气凝胶材料具有三维多孔结构，实现了硫、镍双掺杂，在具备优异电极材料双电层电容性能的同时，具有较低自身阻抗和极高的循环稳定性，可以做为超级电容器的电极材料。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
（1）将一定质量比的木质素溶于水，超声辅助自组装后，持续搅拌至木质素完全溶解，将搅拌好的木质素溶液放入冰箱预冻，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥。
[0008]（2）将冻干好的产物充分研磨于400
‑
900℃高温碳化，得到黑色粉末。
[0009]（3）将得到的木质素基碳气凝胶加入氢氧化钾溶液中浸渍，浸渍充分后离心分离，充分洗涤、干燥，将所得产物和一定量的硝酸镍配置成悬浮液并持续搅拌。
[0010]（4）将固液分离后的复合材料于300
‑
600℃高温活化，得到镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料。
[0011]本专利技术步骤（1）所述木质素含量为5
‑
40w/v%；所述木质素为磺酸盐木质素、碱木质素、硫酸盐木质素的一种或多种，所述木质素溶液放入冰箱预冻温度低于
‑
10℃；所述的冷冻干燥机温度低于
‑
30℃；冻干时间为24
‑
72h。
[0012]本专利技术步骤（2）所述高温碳化条件如下：升温速率2
‑
10℃/min；碳化的温度为400
‑
900℃；碳化时间为2
‑
12h；保护气氛为氮气或氩气。
[0013]本专利技术步骤（3）所述氢氧化钾溶液浓度为4
‑
10mol/L，浸渍时间为12
‑
36h，所述木质素碳气凝胶与硝酸镍的质量比为1∶（1
‑
4）。
[0014]本专利技术步骤（4）所述高温活化条件如下：升温速率2
‑
10℃/min；活化温度为300
‑
600℃；活化时间1
‑
6h；保护气氛为氮气或氩气。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下的优点：（1）本专利技术原料来源广泛、绿色环保，自然界中木质素的储量非常的丰富，同时木质素基磺酸盐是造纸黑液中富含的材料，相比于传统的纳米碳材料作碳气凝胶，其具有很高的经济效益；木质素基磺酸钠中磺酸基中含有S元素，S元素的掺杂可以显著的提高材料的比电容。
[0016]（2）本专利技术制备的镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料的三维孔道结构，可以通过控制原始成分质量比、干燥环境、碳化以及活化条件控制。
[0017]（3）本专利技术成功在木质素基碳气凝胶中掺杂了氧化镍纳米颗粒。该材料具备较大的比表面积、丰富的三维孔洞结构，有利于离子和电子的快速传输；木质素天然的三维芳香网络结构对合成的碳气凝胶的结构稳定性有很大帮助，也保证了电极材料的循环稳定性；氧化镍的负载对碳气凝胶石墨化程度的提高以及碳气凝胶对金属氧化物离子的分散性和导电性的提高，极大的提高了材料的比电容，并且氧化镍的成功负载为复合材料提供了赝电容。
[0018]附图说明
[0019]图1是NiO/C碳气凝胶复合材料的SEM图（a
‑
c），木质素碳气凝胶的SEM图（d
‑
f）；图2是NiO/C碳气凝胶复合材料的TEM图像（a）和相应元素EDS图像（b
‑
d）；图3是NiO/C碳气凝胶复合材料的XRD图谱；图4是不同质量比NiO/碳气凝胶C复合材料在不同扫描速率下的CV曲线；图5是不同质量比NiO/C碳气凝胶复合材料循环扫描1000次的CV曲线；图6是不同质量比NiO/C碳气凝胶复合材料的Nyquist图。
具体实施方式
[0020]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。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，只是作为对本专利技术的说明，不限制本专利技术的范围。
[0021]实施例1，本实施例包括以下步骤（1）将1.5g木质素磺酸钠溶于30ml去离子水后，超声辅助自组装30min后，持续搅拌至木质素完全溶解；（2）将搅拌好的木质素溶液放入
‑
10℃冰箱预冻，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥72h；（3）将冻干好的产物充分研磨于800℃高温碳化，得到黑色粉末；（4）将得到的木质素基碳气凝胶加入6mol/L氢氧化钾溶液中浸渍，浸渍充分后离心分离，充分洗涤、干燥；（5）将步骤（4）所得产物和1.5g的硝酸镍配置成悬浮液并持续搅拌；（6）将固液分离后的复合材料于400℃高温活化，得到镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将一定质量比的木质素溶于水，持续搅拌至木质素完全溶解，将搅拌好的木质素溶液放入冰箱预冻，然后放入冷冻干燥机中冷冻干燥；（2）将冻干好的产物充分研磨于400
‑
900℃高温碳化，得到黑色粉末；（3）将得到的木质素基碳气凝胶加入氢氧化钾溶液中浸渍，浸渍充分后离心分离，充分洗涤、干燥，将处理好的产物和一定量的硝酸镍配置成悬浮液并持续搅拌；（4）将固液分离后的复合材料于300
‑
600℃高温活化，得到镍掺杂木质素基多孔碳气凝胶复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤（1）所述木质素含量为5
‑
40w/v%；所述木质素为磺酸盐木质素、碱木质素、硫酸盐木质素的一种或多种，所述木质素溶液放入冰箱预冻温度低于
‑
15℃；所述的冷冻干燥机温度低于
‑
30℃；冻干时间为24
‑
72h。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭卫红，张毅，冯煜炜，严佳妮，刘文秀，王坤，黄忠煌，彭嘉欣，汪济奎，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：