一种生物质衍生分级多孔炭及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于生物质固废绿色高值化利用领域，具体涉及一种生物质衍生分级多孔炭及其制备方法与应用。该多孔炭比表面积大、具有微

【技术实现步骤摘要】
一种生物质衍生分级多孔炭及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于生物质固废绿色高值化利用领域，具体涉及一种生物质衍生分级多孔炭及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]生物质资源丰富、分布广泛，可以通过光合作用实现循环和再生，是一种前景广泛的可再生能源。生物质材料化利用则是一种负碳路径，极具发展潜力和研究价值。农作物秸秆衍生炭材料应用于储能领域是一种兼具环境和经济效益的途径。对于碳基储能材料，在以前的研究中常常以煤、石油焦和沥青等为原料进行制备，但是这些原料资源有限、成本昂贵。目前的研究多倾向于生物质衍生碳基储能材料，因为其有利于可再生、低成本碳基储能材料的应用。
[0003]生物质的元素组成以碳为主并且含有多种其他元素，其中氮、氧、硫和磷原子能增加生物质基炭材料的润湿性，降低生物质基炭材料的传递电阻，这有助于其比电容的增加。生物质基炭材料常具有自然有序的独特层次结构和丰富的表面特性，所具备的丰富分级孔结构和活性位点为电解质离子转移和扩散提供了方便。玉米芯衍生炭材料往往具有层次化的孔结构和较高的比表面积，有望作为超级电容器电极材料展现优良的电化学性能。
[0004]多孔炭是超级电容器极具前景的电极材料。目前，世界各地的研究者已经开发出各种用于制备多孔炭的方法，例如活化法和模板法等。活化方法一般分为化学活化和物理活化，其中物理活化活化效率低且设备要求高，化学活化效率高但活化产物中的活化剂难去除。金属氯盐可以作为模板剂制备多孔炭，原理是利用其在高温下对碳源的刻蚀和渗流作用造孔；金属碳酸盐和碳酸氢盐可以作为活化剂制备多孔炭，原理是利用其与碳源的化学反应和分解发泡造孔。以上提到的无机盐成本低廉且绿色环保，可通过去离子水洗涤轻松去除，无需任何化学试剂方法来去除模板剂和活化剂。生物质基多孔炭的结构调控应围绕不同应用领域的具体需要而展开。对于超级电容器，生物质基多孔炭通常以比表面积高、孔径可调、热稳定性好、导电性良好等优点被广泛用作电极材料。
[0005]中国专利技术专利CN114380288A公开了一种利用阻燃原理在空气气氛下制备多孔炭材料的方法，以煤沥青为原料制备的多孔炭材料具有较高的炭产率、大的比表面积和分级多孔结构，但是相比于生物质，煤沥青具有较高的成本，生物质利用的可再生和负碳效应的特征更具优势。中国专利技术专利申请CN115924911A公开了一种多孔炭材料的制备方法，通过将活性剂适当钝化处理，使得多孔炭前驱体颗粒表面所接触的活化剂浓度适当降低，活化过程中单个炭颗粒生长的孔的平均数量得以有效控制，实现了中低比表面、且孔分布均匀的多孔炭的制备。但是所用的活化剂主要为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙和氯化锌，部分活化剂对设备腐蚀性较大，后续需要大量的酸去除活化剂，成本较高，不利于大规模生产。
[0006]综上，亟需发展一种生物质衍生分级多孔炭的绿色制备方法。

技术实现思路

[0007]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种生物质衍生分级多孔炭及其制备方法与应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：将生物质浸渍于无机盐溶液中，浸渍结束后进行液固分离，得到生物质
‑
无机盐混合物；
[0011]步骤2：将无机盐覆盖于生物质
‑
无机盐混合物的表面，经煅烧、冷却、洗涤和干燥，即得所述生物质衍生分级多孔炭。
[0012]进一步地，在所述步骤1中，生物质为玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、大豆秸秆、酒糟、醋糟、糠醛渣、废纸、果皮、果壳中的至少一种。
[0013]进一步地，在所述步骤1中，生物质颗粒粒径为20～80目。
[0014]进一步地，在所述步骤1中，生物质与无机盐溶液的固液比为1:10。
[0015]进一步地，在所述步骤1与2中，无机盐为金属氯盐、金属碳酸盐和金属碳酸氢盐中的至少一种。更进一步地，所述金属氯盐包括氯化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁，金属碳酸盐包括碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙和碳酸镁，碳酸氢盐包括碳酸氢钠和碳酸氢钾。
[0016]进一步地，在所述步骤2中，按照无机盐与生物质质量比为3:1将无机盐覆盖于生物质
‑
无机盐混合物的表面。
[0017]进一步地，在所述步骤2中，煅烧的条件为：从室温加热到700～900℃，升温速率为1～10℃/min，保温时间为1～3h。
[0018]第二方面，本专利技术提供了前述的制备方法制得的生物质衍生分级多孔炭。
[0019]第三方面，本专利技术提供了前述的制备方法制得的生物质衍生分级多孔炭在超级电容器电极材料中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
[0021](1)本专利技术所述制备方法以产量庞大且难利用的农作物秸秆、工业生物质废弃物以及生活垃圾中的生物质固废为多孔炭前驱体，通过浸渍
‑
盐锁、熔盐造孔以及空气活化的方法制备分级多孔炭，不仅有利于发挥生物质材料化的“负碳”效应，而且可以实现生物质资源的高值化利用。
[0022](2)本专利技术采用浸渍法对生物质原料进行预处理，通过磁力搅拌和无机盐溶液浸渍可以使水溶液中的无机盐离子进入生物质原料的自生孔道，从而加强无机盐与生物质颗粒的混合效果，有利于提升后续熔盐造孔和空气活化的效果。
[0023](3)本专利技术通过浸渍法使无机盐与生物质充分接触后，利用无机盐作为模板剂和活化剂进行熔盐造孔和化学活化，同时将无机盐作为阻燃剂对生物质进行空气活化，可以实现熔盐法与空气活化的原位耦合，进一步优化生物质衍生多孔炭的孔结构。
[0024](4)本专利技术利用盐锁法辅助空气活化过程，在生物质衍生多孔炭的制备过程中，无机盐兼具模板剂、活化剂和阻燃剂的作用，是一种简单且高效的多孔炭制备工艺。
[0025](5)本专利技术所使用的模板剂、活化剂和阻燃剂均易溶于水，活化造孔后只需通过水洗去除，能够克服生物质衍生多孔炭制备过程中模板剂和活化剂去除工艺繁琐和大量消耗洗涤溶剂的缺点。
[0026](6)本专利技术所制备的生物质衍生分级多孔炭的比表面积高，其范围在400～600m2/g，具有微
‑
介孔的分级结构，介孔的比表面积比例在40～50％之间，介孔孔容比例为70％左右，具有优异的介孔比例和合适的体积密度，在作为高体积能量密度的超级电容器碳基电极材料应用时具有显著优势。
附图说明
[0027]图1实施例1～3所制备的生物质衍生多孔炭的氮气吸附
‑
脱附曲线；
[0028]图2实施例1～3所制备的生物质衍生多孔炭的孔径分布曲线；
[0029]图3不同扫描速度下实施例2所制备样品KCl
‑
PC的CV曲线；
[0030]图4 10mV s
‑1时实施例2和3所制备样品KCl
‑
PC和NaCl+KCl
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：将生物质浸渍于无机盐溶液中，浸渍结束后进行液固分离，得到生物质
‑
无机盐混合物；步骤2：将无机盐覆盖于生物质
‑
无机盐混合物的表面，经煅烧、冷却、洗涤和干燥，即得所述生物质衍生分级多孔炭。2.根据权利要求1所述的一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，生物质为玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、大豆秸秆、酒糟、醋糟、糠醛渣、废纸、果皮、果壳中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，生物质颗粒粒径为20～80目。4.根据权利要求1所述的一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，生物质与无机盐溶液的固液比为1:10。5.根据权利要求1所述的一种生物质衍生分级多孔炭的制备方法，其特征在于：在所述步骤1与2中，无机盐为金属氯盐、金属碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝凤，张鹏，宋旭涛，王术高，杨晓阳，郭彦霞，程芳琴，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：