一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，尤其涉及一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用，包括步骤：(1)将植物茎脱除木质素并漂白；(2)将脱除木质素的植物茎分别在氧化剂溶液和吡咯溶液中多次真空浸渍，引入导电聚合物PPy，制备多孔碳复合材料前驱体植物茎/PPy复合材料；其中，对体系抽真空再恢复常压即完成一次真空浸渍；(3)将植物茎/PPy复合材料通过高温碳化和活化。本发明专利技术的有益效果是：以植物细胞为天然模板，引入导电聚合物PPy，在植物细胞限域内构筑具有特殊形貌的导电聚合物PPy，具有比电容高、比表面积大、杂元素含量高、工艺简单等特点，可用于超级电容器电极的制备材料。容器电极的制备材料。容器电极的制备材料。

【技术实现步骤摘要】
一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，尤其涉及一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来随着煤炭、石油等大量不可再生能源的使用，不仅使全球能源面临不断枯竭的局面，也因使用化石能源造成严重的环境污染。为解决这一系列问题，优化能源结构，减少对不可再生能源的依赖，核能、光能、风能等可再生能源进入人们的视线。但为了满足全球日益增长的能源需求，迫切需求高性能的能源储存装置，而超级电容器成为研究者重要选择之一。
[0003]目前超级电容器依据储能原理的不同主要分为双电层电容器和赝电容器，其中双电层电容器的电极材料主要为多孔碳材料。多孔碳材料的来源非常广泛，如纳米碳材料、煤炭、废弃生物质等等，其中因生物质产量巨大，来源广泛，价格低廉成为超级电容器多孔碳材料主要来源。虽然以生物质为基础制备的多孔碳材料因其自身含有氮、磷等元素使其能够在制备多孔碳过程中完成自掺杂，但也有很多不足，如形貌单一，自身碳化后孔隙大、杂元素含量低等，最终使制备的多孔碳材料的储能性能并不好。因此改性生物质衍生多孔碳材料成为研究者们主要的研究方向，目前主要的方式有元素掺杂、酸碱活化剂活化等，而利用填充物在碳化过程中收缩的牵扯作用来缩小植物茎内部大孔道，达到合适尺寸并完成增大材料比表面积、增加表面粗糙度等微观形貌改变的功能的同时，完成N元素掺杂增加衍生碳材料与电解质的润湿性的方式鲜有报道。
[0004]中国专利CN107195480A提供一种柔性多孔碳材料及其制备方法与应用，以柔性生物质材料为基底，其上负载聚合物单体，进行聚合反应，得复合材料；将复合材料置于300℃～1200℃的温度下，碳化处理，即得柔性多孔碳材料；该方法操作简单，可控性强，得到的柔性多孔碳材料的比表面积高，孔径为0.2nm～200nm，优选0.2～10nm，实施例中BET比表面积为1000m2/g。但是，负载导电聚合物以涂刷、滴加方式为主，适用对象为薄片式材料，适用材料有限，并且负载的导电聚合物绝大部分都分布在基体表面，并不能明显提升材料比表面积、充分利用材料内部空间，电容性能有待提升。
[0005]本专利技术针对生物质衍生多孔碳材料形貌单一，碳化后生物质碳孔隙过大、电容性能低等问题，提出了一种在植物细胞内部限域构筑聚吡咯的方法。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料、制备方法及其应用，以植物细胞为天然模板，通过预处理植物茎叶，依次引入氧化剂与吡咯单体，在植物细胞限域内构筑具有特殊形貌的导电聚合物PPy，制备复合前驱体，并通过高温碳化和活化得到多孔碳复合材料，可用于超级电容器电极的制备材料。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料的制备方法，包括步骤：(1)将植物茎脱除木质素在细胞壁上造孔并漂白；(2)将脱除木质素的植物茎依次在氧化剂溶液和吡咯溶液中多次真空浸渍，分步引入氯化铁和吡咯，在植物茎细胞内原位聚合PPy，制备植物茎/PPy复合材料，并将此复合材料作为多孔碳材料前驱体；(3)将植物茎/PPy复合材料通过高温碳化和活化制备多孔碳材料。
[0009]优选的，所述步骤(1)的过程为：将植物茎切成薄片，在NaOH水溶液中浸泡24h，取出后冲洗干净，再浸泡在亚氯酸钠和稀H2SO4的混合溶液中，80℃条件下搅拌，脱除植物茎的木质素并漂白；
[0010]所述植物茎为竹茎、杨木、荷花茎等。
[0011]优选的，所述步骤(1)中，NaOH水溶液中NaOH的浓度为5wt％
‑
10wt％，温度为60℃；所述亚氯酸钠和稀H2SO4的混合溶液由浓度1
‑
2mol/l的亚氯酸钠和浓度0.4
‑
0.5mol/l的稀硫酸混合得到，混合溶液中二者的摩尔比为(4
‑
5):1。
[0012]优选的，所述步骤(2)中，将脱除木质素的植物茎浸入氧化剂FeCl3·
6H2O水溶液中，真空浸渍三次后保持真空环境12h；将植物茎取出后浸入吡咯单体水溶液中，真空浸渍三次后保持真空环境24h。
[0013]优选的，所述步骤(2)中，对体系抽真空再恢复常压即完成一次真空浸渍。
[0014]优选的，所述步骤(2)中，FeCl3·
6H2O的浓度为0.07
‑
0.09mol/l；吡咯的浓度为0.05
‑
0.06mol/l，且FeCl3·
6H2O与吡咯单体的摩尔比为1.2
‑
2:1，优选为1.5:1，用过量FeCl3·
6H2O引发吡咯聚合；真空浸渍的压力为
‑
0.1Mpa。
[0015]优选的，所述步骤(3)中，预碳化在氮气氛围下进行，以4℃/min的升温速率升温至600℃并保温2h，冷却后用去离子水冲洗至中性并干燥。
[0016]优选的，所述步骤(3)中，活化碳化的过程为：将预碳化样品与活化剂KOH按照质量比1:4混合研磨，在氮气氛围下以4℃/min的升温速率升温至800℃，保温2h后自然冷却至室温，用1.5mol/l盐酸冲洗，并用去离子水洗至中性，将预碳化样品进行活化碳化。
[0017]当植物茎为竹茎时，竹茎/聚吡咯多孔碳复合材料的制备方法包括如下步骤：
[0018](1)将6g竹茎切成3mm厚的薄片并洗净，60℃条件下在5
‑
10wt％的NaOH溶液中浸泡24h，取出后冲洗至中性；将竹片浸入浓度为1.38
‑
1.72mol/l亚氯酸钠溶液，再加入浓度为0.40
‑
0.50mol/l的稀硫酸，其中亚氯酸钠和稀H2SO4的摩尔比为4.6:1；将溶液加热至80℃搅拌1h，对竹片进行漂白，脱除竹茎木质素；
[0019](2)将70ml 0.07
‑
0.09mol/l的FeCl3·
6H2O水溶液引入真空装置中，再加入步骤(1)的竹片，抽真空至
‑
0.1Mpa，保持5min后恢复常压，反复进行三次，第三次真空浸渍完成后真空环境保持12h；
[0020]在真空装置中引入70ml 0.05
‑
0.06mol/l的吡咯单体水溶液，加入上述竹片，抽真空至
‑
0.1Mpa，保持5min后恢复常压，反复进行三次，第三次真空浸渍完成后保持真空环境12h，取出用去离子水，乙醇洗至滤液无色，60℃条件下干燥24h，制备竹/PPy复合材料；
[0021](3)取出步骤(2)中竹/PPy复合材料，在氮气氛围下，以4℃/min的升温速度升温至600℃，保温2h后自然冷却至室温，对复合材料进行预碳化。去离子水冲洗预碳化样品至中性，在60℃真空干燥12h；
[0022](4)将步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在植物细胞内部构筑聚吡咯的多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤：(1)将植物茎脱除木质素并漂白；(2)将脱除木质素的植物茎依次在氧化剂溶液和吡咯溶液中进行多次真空浸渍，在植物茎细胞内原位聚合PPy，制备多孔碳材料前驱体植物茎/PPy复合材料；(3)将植物茎/PPy复合材料高温碳化和活化。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，将脱除木质素的植物茎浸入氧化剂FeCl3·
6H2O的水溶液中，真空浸渍三次后保持真空环境12h；然后浸入吡咯单体水溶液中，真空浸渍三次后保持真空环境24h。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，FeCl3·
6H2O浓度为0.07
‑
0.09mol/l，吡咯单体的浓度为0.05
‑
0.06mol/l，且FeCl3·
6H2O与吡咯单体的摩尔比为1.2
‑
2:1；真空浸渍的压力为
‑
0.1Mpa。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)的过程为：将植物茎切成薄片，在NaOH水溶液中浸泡24h，取出后冲洗干净，再浸泡在亚氯酸钠和稀H2SO4的混合溶液中，80℃条件下搅拌，脱除植物茎的木质素并漂白；优选地...

【专利技术属性】
技术研发人员：何艳贞，张自强，李煜东，韩恩山，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：