氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：S1.桉树皮洗净、晾干、粉碎，磷酸浸泡，烘干；S2.将磷酸预处理后的桉树皮粉末与尿素混合，并用足量的混合氯化盐完全覆盖，预碳化；洗涤、烘干；S3.碱浸渍；S4.高温活化。通过本发明专利技术可将桉树皮制备获得电极材料，且该电极材料具有高比表面积、富含杂原子官能团、高比电容等优点。容等优点。容等优点。

【技术实现步骤摘要】
氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及固体废弃物资源化利用领域，尤其是一种基于熔融盐辅助氮磷共掺杂桉树皮衍生多孔碳超级电容器电极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，超级电容器作为一种具有可观功率密度和长寿命的电化学储能装置在储能领域的作用越来越重要。超级电容器的进一步发展有赖于合适的、低成本的、环境友好的材料作为电极的活性材料。生物质衍生活性炭具有优异的电化学性能、高比表面积、高吸附性、表面化学可调、离子/电子传输快、功能基团丰富、成本低等优势，是一种很有前途的超级电容器电极材料，对电化学电容器的进一步发展和应用具有极高的意义。
[0003]桉树原产地绝大多数生长在澳洲大陆，少部分生长于邻近的新几内亚岛、印度尼西亚，以及菲律宾群岛。19世纪引种至世界各地，现主要分布中心在大洋洲，在我国云南、广东、广西及四川等省区也有广泛种植，随着西部大开发及长江、珠江防护林工程的实施，退耕还林的进展加快，桉树的种植面积逐步扩大，目前桉树主要用于制作板材，但加工时需要先去除桉树皮，桉树皮则已经是一种废料，为充分利用廉价易得的桉树皮，许多厂家将其制作为生物质颗粒，但生物质颗粒附加值较低，使用量有限，若能将桉树皮作为大规模制备超级电容器活性材料的原材料，将进一步提高桉树皮的附加值，扩大桉树的应用领域。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，可将桉树皮制备获得电极材料，且该电极材料具有高比表面积、富含杂原子官能团、高比电容等优点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1.预处理：桉树皮洗净、晾干、粉碎，再将桉树皮粉末用磷酸溶液浸泡2～10h，然后烘干，得磷酸预处理后的桉树皮粉末；
[0008]S2.熔融盐辅助预碳化：将磷酸预处理后的桉树皮粉末与尿素按照质量比1:1.8～2.5混合放入容器中，用足量的混合氯化盐完全覆盖，在高温炉中，以3～10℃/min的升温速率加热至480～520℃，预碳化1.5～3h后冷却至室温；将预碳化的混合物用稀酸溶液和水洗涤后，固液分离后得到黑色固体粉末和混合盐溶液，将黑色固体粉末烘干得到生物质炭粉末；
[0009]S3.碱浸渍：将生物质炭粉末与碱溶液混合均匀，浸泡2～10h，干燥并研磨至粉末状，得碱浸渍后的生物质炭粉末；
[0010]S4.高温活化：将碱浸渍后的生物质炭粉末置于管式炉中，通入氮气，并以3～10℃/min的升温速率加热至580～620℃，活化1～5h，冷却至室温，研磨至粉末状再用稀酸溶液洗涤至中性，干燥，得桉树皮衍生多孔炭超级电容器电极材料。
[0011]其中，步骤S2的混合盐溶液可以通过再结晶实现循环利用。
[0012]进一步的，所述步骤S1中，磷酸溶液的质量浓度为18～25wt％，桉树皮粉末与磷酸溶液的固液比为0.05～0.15g/mL。
[0013]进一步的，所述步骤S2中，混合氯化盐为氯化锂和氯化钾的混合物。
[0014]进一步的，所述步骤S2中，混合氯化盐中，氯化锂和氯化钾的摩尔比为0.30～0.45:0.70～0.55。
[0015]进一步的，所述步骤S2中，高温炉为马弗炉。
[0016]进一步的，所述步骤S3中，碱溶液为15～22wt％的氢氧化钾溶液；生物质炭粉末与碱溶液的质量比为1:8～15。
[0017]进一步的，所述步骤S4中，氮气的流速为80～120mL/min。
[0018]进一步的，所述步骤S2中，洗涤预碳化的混合物的稀酸溶液为2～6wt％的盐酸溶液；所述步骤S4中，洗涤用的稀酸溶液为2～6wt％的盐酸溶液。
[0019]进一步的，所述步骤S2中，桉树皮粉末与尿素的质量比为1:2。
[0020]本专利技术还提供了以上制备方法制备获得的桉树皮衍生多孔炭超级电容器电极材料在制备超级电容器电极材料方面的应用。
[0021]以上所述的氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，在预碳化过程中，以磷酸作为磷源，尿素作为氮源，在熔融盐介质中制备生物质炭，熔融盐作为一种介质可增强磷酸和尿素与生物质炭的反应，使得生物质炭表面含有更多的氧、氮磷等杂原子官能团；同时，熔融盐能创造一种有限氧气的环境，使空气中的氧气在预碳化过程中对生物质炭进行刻蚀，使生物质炭表面产生更多的缺陷。通过碱浸渍可使富含杂原子和缺陷的生物质炭表面吸附碱活化剂，在后续的高温活化过程中，碱活化剂与生物质炭发生化学反应，生物质炭的表面积进一步提高，洗涤烘干后得到氮磷共掺杂桉树皮多孔碳。
[0022]本专利技术制得的桉树皮衍生多孔炭超级电容器电极材料，具有以下优点：
[0023](1)由于桉树分布广、生长快，因此，以桉树皮作为原材料，相对其他生物质来说更价廉易得；
[0024](2)由于桉树皮中的木质素的含量可高达19.69％，且木质素结构复杂，分解温度范围大，低温下不易分解，这使得桉树皮在碳化后具有较高的产率。
[0025](3)本专利技术加入了熔融盐作为反应介质，在炭化过程中增强磷酸和尿素与生物质炭的反应，使得生物质炭表面含有更多杂原子官能团；此外，其创造的有限氧气的环境氛围，使生物质炭表面产生更多的缺陷，可有效提高电极材料的比表面积。
[0026](4)本专利技术的制备方法易于操作，有利于工业化推广。
[0027](5)本专利技术制备得到的桉树皮衍生多孔炭超级电容器电极材料具有高比表面积、富含杂原子官能团、高比电容等显著优势。
附图说明
[0028]图1是实施例1中得到的材料NP
‑
BPC
‑
1的扫描电镜图和C/O/N/P元素分布能谱图；
[0029]图2是实施例1中得到的材料NP
‑
BPC
‑
1的X射线衍射图；
[0030]图3是实施例1中得到的材料NP
‑
BPC
‑
1的氮气吸附脱附等温线图；
[0031]图4是实施例1中得到的材料NP
‑
BPC
‑
1在不同电流密度下的充放电曲线图。
具体实施方式
[0032]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于以下实施例。
[0033]本专利技术实施例将分别制备超级电容器电极材料，并将其用于电极制备，制备的电极进行电化学性能测试。以下实施例均采用下述方法进行电极制备：分别称取超级电容器电极材料0.08g、乙炔黑0.01g、聚四氟乙烯粘结剂0.01g于100ml烧杯中，加入20ml无水乙醇，超声15分钟后放入干燥箱内烘干至橡皮泥状，将橡皮泥状的混合物均匀涂覆在1cm2的正方钛网上，用压片机在10MPa压力下压制10s，放入真空干燥箱内烘干，每个极片上的活性物质(NP
‑
B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮磷共掺杂桉树皮多孔碳超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1.预处理：桉树皮洗净、晾干、粉碎，再将桉树皮粉末用磷酸溶液浸泡2～10h，然后烘干，得磷酸预处理后的桉树皮粉末；S2.熔融盐辅助预碳化：将磷酸预处理后的桉树皮粉末与尿素按照质量比1:1.8～2.5混合放入容器中，用足量的混合氯化盐完全覆盖，在高温炉中，以3～10℃/min的升温速率加热至480～520℃，预碳化1.5～3h后冷却至室温；将预碳化的混合物用稀酸溶液和水洗涤后，固液分离后得到黑色固体粉末和混合盐溶液，将黑色固体粉末烘干得到生物质炭粉末；S3.碱浸渍：将生物质炭粉末与碱溶液混合均匀，浸泡2～10h，干燥并研磨至粉末状，得碱浸渍后的生物质炭粉末；S4.高温活化：将碱浸渍后的生物质炭粉末置于管式炉中，通入氮气，并以3～10℃/min的升温速率加热至580～620℃，活化1～5h，冷却至室温，研磨至粉末状再用稀酸溶液洗涤至中性，干燥，得桉树皮衍生多孔炭超级电容器电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，磷酸溶液的质量浓度为18～25wt％，桉树皮粉末与磷酸溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峥，李葵，冯庆革，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：