【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能源转换、能源储存以及电化学等，特别是涉及一种用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法。
技术介绍
1、随着不可再生资源的消耗，对于清洁能源的储存与使用提出了更高的要求。现在对于清洁能源的研究已经取得一定成就，但如何将这些能源收集起来做到及时及用，这对于储能装置的研究将变得格外重要。超级电容器作为一种新型储能设备，已经成功应用于商业，为能源储备提供了解决途径。
2、目前，生物质材料凭借其丰富的储备、可再生性以及成本低廉等优势，成为研究双电层电容器电极材料的重要选择。生物炭是一种由生物质在无氧高温条件下热解制备而成的炭材料，具有高孔隙度、大比表面积和良好化学稳定性等特点，因此被广泛应用于电化学领域。但直接制备得到的炭电极材料难以满足使用需求。因此需要对原材料进行改性以达到优化性能的目的，从而制备出具有高比表面积和导电性能的电极材料。这不仅可以提升其电化学性能，更为重要的是拓宽其在能源转换、能源储存以及电化学等领域的应用。
技术实现思路
1、为弥补以上所述的现有生物炭材料的不足，本专利技术提供一种用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法。本专利技术采用生物质原料(如柚子皮等)为生物质炭源，采用酸碱相结合活化调控材料孔隙结构；通过冷冻干燥与活化造孔相结合的方式得到富含微孔且倍率性能和循环稳定性优异的生物炭基电极材料；通过热解反应引入n、b、p等杂元素，制备得到多元素掺杂生物质炭电极材料。本专利技术制备过程简单，实现能源的绿色环保、可持续发展，在能源转
2、本专利技术的技术方案为如下：
3、一种用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)对预处理后的生物质原料进行高温活化处理，将高温活化处理后的产物经洗涤、真空干燥得到碳材料，标记为yb；
5、(2)将步骤(1)得到的碳材料yb与碱性活化剂混合后冷冻干燥，进行高温活化处理，经洗涤、真空干燥得到活化后的多孔炭，标记为yb-x；
6、(3)将步骤(2)得到的活化后的多孔炭yb-x与杂元素来源物质进行混合，经冷冻干燥、高温活化处理、洗涤以及真空干燥后得到杂元素掺杂生物质多孔炭电极材料，标记为yb-x-z。
7、在上述实施方式中，所述洗涤的标准应为产物的ph直至7为止。
8、在上述的技术方案中，在步骤(1)中，所述生物质原料的预处理包括：将所述生物质原料清洗后，在真空干燥温度为100-150℃，真空干燥时间为12-48h的条件下进行真空干燥，粉碎后过20-200目网筛，优选真空干燥温度为100-120℃，真空干燥时间为16-30h，粉末过20-100目网筛。更优选真空干燥温度为105℃，真空干燥时间为24h，粉末过50目网筛。
9、所述生物质原料优选为柚子皮，柚子皮可采用新鲜的柚子皮，将新鲜柚子皮清洗后，在真空干燥温度为100-150℃，真空干燥时间为12-48h的条件下进行真空干燥烘干除去水分，烘干至柚子皮含水量低于5％，这有利于进行下一步的粉碎操作。烘干后的柚子皮柚子皮内白色部分，即柚子皮的中果皮，经粉碎后过20-200目网筛，得柚子皮为原料的生物质原料。
10、本专利技术中，生物质原料不仅限于柚子皮，可以采用其他类型的生物质材料如各种水果的果皮或果壳、秸秆、竹材、树皮等废弃材料，从而达到资源再利用的目的。优选地，本专利技术的生物质材料可采用柚子皮的中果皮、香蕉皮、马铃薯、小麦秸秆等。
11、在上述的技术方案中，在步骤(1)、步骤(2)以及步骤(3)中所述的高温活化处理可以采用管式炉中进行，在通入氮气(n2)的无氧条件下高温加热，从而使生物质原料炭化，其中，所述的高温活化处理的条件为：n2流量为0.1-1.0l/min，升温速率为1-10℃/min，加热至600-900℃，恒温时间为60-180min。优选n2流量为0.3-0.6l/min，升温速率为3-7℃/min，加热至650-850℃，恒温时间为90-150min。在本专利技术中，碳化物(如碳化物yb-x，以及碳化物yb-x-z)在上述高温活化处理条件下进行炭化，能够产生分级的多孔结构和高比表面积，有利于电化学性能的提升。在步骤(1)、步骤(2)以及步骤(3)中高温活化处理条件可以相同，也可以不相同，即各步骤的具体参数值根据实际需要可以在给出的范围内适当进行调整。在步骤(1)、步骤(2)以及步骤(3)中高温活化处理条件只要在上述的高温活化处理条件范围内，就可以达到本专利技术的电化学性能的提升效果。
12、在上述的技术方案中，在步骤(1)中，所述洗涤包括：超声洗涤和非超声洗涤(即普通洗涤)，所述超声洗涤的溶液为0.5-2m的hcl，超声洗涤时间为10-60min。优选超声洗涤的溶液为0.7-1.5m的hcl，超声洗涤时间为20-40min。更优选超声洗涤的溶液为1m的hcl，超声洗涤时间为30min。所述非超声洗涤的溶液为水、乙醇中的一种或两种，洗涤的标准为产物的ph值至7为止。在步骤(1)中所述真空干燥温度为80-140℃，真空干燥时间为12-48h。优选真空干燥温度为90-110℃，真空干燥时间为16-30h。更优选真空干燥温度为100℃，真空干燥时间为24h。在步骤(2)和步骤(3)中所述的洗涤，也可以按照步骤(1)的洗涤方法以及条件来进行，只要能够实现不影响后续程序以及不影响本专利技术的多孔炭电极材料的性能，对于洗涤可以采用本领域常规的高温活化后的材料的洗涤方法。
13、在上述的技术方案中，在步骤(2)中，所述碱性活化剂为lioh、naoh、koh等强碱中的一种或多种混合物，优选为koh。
14、在上述的技术方案中，在步骤(2)中，所述碳材料yb与碱性活化剂混合的质量比为1:3～7。优选为1:4～6，更优选为1:5。
15、在上述的技术方案中，在步骤(2)中，所述冷冻干燥温度为-40～10℃，冷冻干燥时间为24h-72h。优选冷冻干燥温度为-30-10℃，冷冻干燥时间为36-60h。更优选冷冻干燥温度为-20℃，冷冻干燥时间为48h。
16、在上述的技术方案中，在步骤(3)中，所述真空干燥温度为60-120℃，真空干燥时间为12-48h，优选真空干燥温度为70-100℃，真空干燥时间为16-30h，更优选真空干燥温度为80℃，真空干燥时间为24h。
17、在上述的技术方案中，在步骤(3)中，所述杂元素来源物质为三聚氰胺、硼酸、磷酸中的一种或多种混合物。采用三聚氰胺、磷酸、硼酸作为氮、硼、磷杂元素的来源也具有致孔剂的作用，适当量的元素掺杂可以促进碳材料的孔隙率增加。孔隙的存在不仅有利于比表面积的提升，更能为电解液中离子的传输提供通道，降低其内阻，提高电化学性能。不同孔径的孔在材料表面合理的分布能提高材料内部电荷转移能力，带来优异的电化学性能。杂原子掺杂不仅有利于电子转移，而且可以提升离子与碳表面之间的结合能力从而显著提高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述生物质原料的预处理包括：将所述生物质原料清洗后，在真空干燥温度为100-150℃，真空干燥时间为12-48h的条件下进行真空干燥，粉碎后过20-200目网筛。
3.根据权利要求1或2所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述生物质原料为柚子皮的中果皮、香蕉皮、马铃薯、小麦秸秆。
4.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中，所述高温活化处理条件为：在N2流量为0.1-1.0L/min的条件下，以升温速率1-10℃/min加热至600-900℃后，恒温60-180min。
5.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述洗涤包括：超声洗涤和非超声洗涤，所述超声洗涤的溶液为0.5-2M的H
6.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述碱性活化剂为LiOH、NaOH、KOH中的一种或多种，所述碳材料YB与所述碱性活化剂的质量比为1:3～7。
7.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(2)和步骤(3)中，所述冷冻干燥温度为-40～10℃，冷冻干燥时间为24-72h，所述真空干燥温度为60-120℃，真空干燥时间为12-48h。
8.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述杂元素来源物质为三聚氰胺、硼酸、磷酸中的一种或多种混合物，所述活化后的多孔炭YB-X与所述杂元素来源物质的质量比为1:0.1～6。
9.根据权利要求8所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，所述多种混合物中各杂元素来源物质的质量相同。
10.根据权利要求8或9所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，所述杂元素来源物质为所述多种混合物时，将活化后的多孔炭YB-X与组成所述多种混合物的各杂元素来源物质同时混合。
...【技术特征摘要】
1.一种用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述生物质原料的预处理包括：将所述生物质原料清洗后，在真空干燥温度为100-150℃，真空干燥时间为12-48h的条件下进行真空干燥，粉碎后过20-200目网筛。
3.根据权利要求1或2所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述生物质原料为柚子皮的中果皮、香蕉皮、马铃薯、小麦秸秆。
4.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中，所述高温活化处理条件为：在n2流量为0.1-1.0l/min的条件下，以升温速率1-10℃/min加热至600-900℃后，恒温60-180min。
5.根据权利要求1所述的用于超级电容器的元素掺杂生物质多孔炭的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述洗涤包括：超声洗涤和非超声洗涤，所述超声洗涤的溶液为0.5-2m的hcl，超声洗涤时间为10-60min，所述非超声洗涤的溶液为水、乙醇中的一种或两种，所述真空干燥温度为80-140℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭静，杨强，王文明，张欣，管福成，于跃，张森，暴达，曾世军，吕大鹏，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
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