【技术实现步骤摘要】
明涉及一种能源材料技术，尤其是一种超级电容器材料制造技术，具体地说是一种利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料的方法。
技术介绍
1、随着世界经济的快速发展以及人口数量的不断增长，人类对能源的需求与日俱增。然而化石燃料的大量使用引起了环境污染、能源匮乏以及气候变化等问题，近年来研究学者对上述问题有着愈来愈清晰的认知，全球范围内新能源领域出现快速的发展态势，各国用于新能源发展的投资大幅度增长。新型能源以及清洁能源的开发、储存和利用有利于解决化石能源供应不足的问题，同时也有利于改善能源结构以及环境问题。当前研究学者们主要研究的新能源包括太阳能、风能、水能以及生物质能等，但是太阳能、风能、水能的开发和利用很大程度上受限于地区以及气候，而生物质能由于其来源范围广、可再生、易存储以及用途广泛等优点，使其具有良好的应用前景。当前生物质能的利用途径包括直接燃烧、气化、炭化、热解等，可用于制备生物油、生物质炭、气体燃料等。但目前生物质能主要以农作物作为原料，而该原料的发展空间有限，难以满足未来发展的需要。以入侵植物作为生物质原料来进行生物质能的研究开发为上述问题提供了一条可能有效的出路。
2、入侵植物具有传播速度快、繁殖能力强、可生存范围广等特点，是一种生物质资源储量丰富的陆生植物。由于当前人类活动强度大、范围广以及交通发达等因素，被外来物种入侵的现象十分普遍，当前传播进入我国的入侵植物有加拿大一枝黄花、水葫芦、飞机草、土荆芥等。外来入侵植物的危害复杂多变，包括对水域、农业、水产养殖、生物多样性以及人类身体健康的影响。目前用于入侵植
3、超级电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能元器件，相较于其他传统储能元件，超级电容器具有充放电速度快、温度范围广、循环寿命长和功率密度高等优点。因此，超级电容器在能源存储领域具有非常广泛的应用前景，比如电动汽车、航空航天以及便携电子设备等。超级电容器的性能与电极材料的种类和性能密切相关，常见的电极材料包括炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料，而炭材料由于其优异的电导率以及良好的机械稳定性和热稳定性等优点已经被应用于超级电容器电极材料，如活性炭、碳气凝胶、石墨烯、碳纳米管等。利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料具有成本低廉、来源广泛、资源有效利用、制备简单等优点，是入侵植物作为生物质资源高值化利用的一个重要的发展方向。
4、目前生物质炭材料的制备方法主要是热解法，是指将材料放入高温管式炉中，在惰性气体氛围下使生物质在高温炉中发生热解反应从而生成生物质炭。此外，在制备生物质炭材料的过程中通常会加入活化剂对生物质进行活化，从而改善衍生炭材料的孔道结构，进一步提高多孔炭材料的催化性能、吸附性能以及电化学性能。当前活化方法主要包括化学活化方法和物理活化方法，活化后的多孔炭材料常适用于制备吸附材料和炭电极材料以及催化材料。化学活化是将生物质炭与化学试剂混合并在高温条件下发生一系列化学活化反应，生成具有特定化学性质以及高比表面积的炭材料；物理活化是指通过蒸汽处理或高温处理等方法来提高生物质炭的孔隙度和比表面积。当前用于制备超级电容器用生物质炭的方法多种多样，比如中国专利cn202310364524.8公开了一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法、活性炭电极和超级电容器，具体方法是将农业废弃物和藻类混合热解得到一种富氮生物质炭，随后利用氯化锌进行第一步活化以及利用氢氧化钾进行第二步活化，最终得到氮掺杂多孔炭材料。中国专利cn202210163985.4公开了一种手风琴状木质素立方体炭材料及其制备与在超级电容器中的应用，首先对工业木质素进行预处理并混合加入锌盐和草酸盐，随后将得到的复合物进行炭化便得到了手风琴状木质素立方体炭材料。
5、如何提高电极材料的性能(包括循环稳定性和电容性能等)是当前超级电容器电极材料的重要研究方向。用于改善生物质炭电极材料性能的策略涉及到炭材料的孔隙结构调控，常使用活化剂和模板剂用于改善生物质炭的孔隙结构，其中活化剂包括k2co3、koh、khco3、k2c2o4、zncl、nacl、na2co3、naoh、na2c2o4等，模板剂包括caco3、mgo、zno、mgcl2、mg(oh)2、sio2、mof、三聚氰胺、离子液体等。另一种改善生物质炭电极材料性能的策略主要是对炭材料进行杂原子掺杂，常见的杂原子类型包括氮、硫、磷、硼、氧。杂原子的掺杂不仅有助于提高电极材料的电导率、赝电容、倍率性能以及离子的可逆存储容量，而且对于生物质炭材料的润湿性也有一定的改善作用，从而对生物质炭电极的电化学性能可以起到显著的改善作用。研究表明炭电极材料电化学性能的提高具体受到掺杂剂的类型、浓度以及杂原子类型等因素的影响，例如，采用氮掺杂的炭材料表现出更显著的亲水性，而采用硼掺杂的炭材料相较于前者表现出更低的固定电阻。
6、综上所述，如果将入侵植物作为原材料，且采用适当的方法合成高价值产品生物质炭材料，并将其应用于超级电容器电极材料，不仅有效解决了入侵植物难以处理的问题，缓解了生态环境的压力，同时也为超级电容器电极材料的研究提供了一条经济可行的方向。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有的外来植物大多进行无害化处理而疏于资源化利用，造成成本增大和资源浪费以及超级电容器制造过程中急需相关的原料的问题，专利技术一种利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料的方法，它一方面解决了入侵植物的无害化利用，同时为超级电容器电极材料制造提供了生物质炭材料。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料的方法，其特征是：它包括生物质炭材料和超级电容器电极材料的制造方法；其中生物质炭材料的制造方法包括以下步骤：
4、1)原料采集及处理：收集入侵植物后并对其进行清洗、干燥，随后将入侵植物粉碎为粉末并存储；
5、2)添加活化剂：将步骤1)中处理后的入侵植物与活化剂按照一定的质量比(1:0.2～1:8)进行混合，通过碾磨法或浸渍搅拌法使入侵植物粉末与活化剂混合均匀；在杂原子掺杂策略中，还需添加含有杂原子的化合物；...
【技术保护点】
1.一种利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料的方法，其特征是：它包括生物质炭材料和超级电容器电极材料的制造方法；其中生物质炭材料的制造方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的入侵植物包括加拿大一枝黄花、空心莲子草、水葫芦、三裂叶豚草、飞机草；所述的入侵植物粉末粒径小于160μm，能通过利用90目筛网进行筛选获得，该粒径范围内的样品具有良好的传热效果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的活化剂包括氢氧化钾、碳酸氢钾、草酸钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、草酸钠、碳酸钠、氯化锌、氯化铁、氯化铜中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的含有杂原子的化合物包括三聚氰胺、尿素、ZIF-8、磷酸二氢钾、植酸、磷酸氢二钾、磷酸铵、硫脲、硫化钠、硼酸、氧化硼中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的所述入侵植物与活化剂的混合质量比为1:0.2～1:8，碾磨时间为20～40min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的惰性气体氛围包括氩气气氛、氮气
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的入侵植物衍生生物质炭材料质量为2～5mg；所述加入无水乙醇的体积为0.8～1mL；所述超声震荡时间为0.5～2h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述述粘结剂为N-甲基吡咯烷酮、Nafion D-520中的一种或几种，用量为100～300μL；所述超声震荡时间为1～2h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的所述泡沫镍的涂覆面积为1cm×1cm；所述压片处理所用压力为3～5MPa。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的参比电极为汞/氧化汞电极、银/氯化银电极、饱和甘汞电极的一种；所述对电极为铂片电极；所述电解液为氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、硫酸钠水溶液、硫酸水溶液。
...【技术特征摘要】
1.一种利用入侵植物制备超级电容器用炭电极材料的方法，其特征是：它包括生物质炭材料和超级电容器电极材料的制造方法；其中生物质炭材料的制造方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的入侵植物包括加拿大一枝黄花、空心莲子草、水葫芦、三裂叶豚草、飞机草；所述的入侵植物粉末粒径小于160μm，能通过利用90目筛网进行筛选获得，该粒径范围内的样品具有良好的传热效果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的活化剂包括氢氧化钾、碳酸氢钾、草酸钾、碳酸钾、氢氧化钠、碳酸氢钠、草酸钠、碳酸钠、氯化锌、氯化铁、氯化铜中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的含有杂原子的化合物包括三聚氰胺、尿素、zif-8、磷酸二氢钾、植酸、磷酸氢二钾、磷酸铵、硫脲、硫化钠、硼酸、氧化硼中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的所述入侵植物与活化剂的混合质量比为1:0.2～1:8，碾磨时间为20～40min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的惰性气体氛围包括氩气气氛、氮气气氛、氦气气氛、氖...
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