【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电极材料，具体涉及一种双生物质多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、能源领域的革新和不断进步，使得电池和超级电容器等电化学设备能量的存储和转换面临新的战略机遇和挑战。超级电容器(supercapacitors，简称scs)作为储能系统中的一员，因其具有循环稳定性好，功率密度高，宽的工作温度和快速充放电等特点而备受关注。从国防工业到新能源汽车，从城市公共交通到智能电网，从柔性可穿戴设备到新型智能包装，scs作为一种瞬时功率输出电器作出了重大贡献。如今全球超级电容器市场仍在持续增长，同时我国超级电容器行业将继续保持高速增长趋势。
2、目前，许多材料被用于构建超级电容器的电极，如过渡金属氧化物、导电聚合物、碳材料等。常见的碳材料包括生物质、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨烯等。对于碳纤维、石墨烯、碳气凝胶和碳纳米管等，由于其成本高、不可再生和合成工艺复杂，使其用于商业化受限。
3、生物质具有天然的多级孔隙结构，使得生物质碳的合成比其他碳材料更安全环保。此外，生物质作为一种绿色原料，具有种类丰富、可再生、成本低廉以及自身特有的三维内在形貌等特点，是一种理想的制备超级电容器电极材料的天然资源，近年来引起了研究人员的广泛关注。由生物质衍生的碳材料具备以下优点：(1)含有丰富的碳元素，具有高的产碳率；(2)高温碳化中自身特殊形貌结构得以保留，具备优异的比表面积和发达的孔隙结构，可以促进离子的快速传输并提高倍率性能；(3)自身含有n、o、p、s、b等元素可以增加表面润湿性，并诱导形成额外的电化学活性
技术实现思路
1、针对现有生物质碳材料存在的上述问题，本专利技术提供一种双生物质多孔碳材料及其制备方法和应用。本专利技术采用芦苇秸秆和单宁酸(ta)为双碳源，采用氢氧化钾和氮源三聚氰胺联合活化，原位合成具有超高比表面积的氮、氧共掺杂双生物质蜂窝状多孔碳材料(n-rtc)。该双生物质多孔碳材料用于制备电极，从而提高了超级电容器电极的活性和超级电容器的电化学性能，生物质原料取材方便，制备工艺简单且环保，利于规模化生产，适于商业化。
2、为达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种双生物质多孔碳材料，包括：双生物质碳源、活化剂和氮源，以双生物质碳源为基体，在活化剂和氮源的协同作用下原位合成；所述双生物质碳源包括芦苇秸秆和单宁酸，所述活化剂包括氢氧化钾，所述氮源包括三聚氰胺。
4、与现有技术相比较，本专利技术双生物质多孔碳材料至少具有以下有益效果：芦苇和单宁酸都是丰富的生物质资源，其中芦苇用于湿地保护，分布在地球上的许多地区。芦苇秸秆作为芦苇的重要组成部分，主要包括碳水化合物、蛋白质、纤维素、维生素和矿物质等多种成分。单宁酸是一种天然丰富的多酚类物质，可以从很多植物中提取。以芦苇秸秆和单宁酸作为生物质原料，取材方便，成本低廉，绿色环保，是合成碳材料非常合适的前体。
5、采用芦苇秸秆作为单一碳源得到的碳材料，结构上保持了芦苇秸秆中空管状的同时表面形成了部分粗糙的孔。添加氮源后，芦苇秸秆表面形成更多致密的微孔结构。本专利技术以芦苇秸秆和单宁酸为双生物质碳源，koh为活化剂，三聚氰胺同时充当氮源和孔改性剂，在活化剂、孔改性剂与氮源的协同作用下，芦苇秸秆本身的中空管状结构消失，原位负载合成双生物质衍生氮氧共掺杂蜂窝状分级多孔碳材料，这种具备独特结构的碳材料具有很高的比表面积。可以提高孔隙利用率以获得更高的电容特性。此外通过增加氮源，形成氮、氧共掺杂结构，不仅可以提高电导率和亲水性极化位点，同时通过氧化还原反应提升了多孔碳材料的赝电容和能量密度。
6、在其中一个实施例中，所述双生物质多孔碳材料为兼具微孔和中孔的分级三维蜂窝状结构，所述微孔的孔径小于2nm，所述中孔的孔径为2nm～50nm，所述微孔和中孔占全部孔的比例为85％～95％，孔容为0.90cm3 g-1～1.30cm3 g-1，比表面积为1900m2 g-1～2600m2g-1，掺氮原子比为2％～6％，掺氧原子比为12％～16％。
7、本专利技术双生物质多孔碳材料兼具微孔和中孔，具备较高的比表面积和孔容，大的比表面积和层状多孔结构为快速离子转移提供了更多的活性位点和光滑的通道，而丰富的n和o官能团提高了电子导电性、电极和电解质之间的润湿性和赝电容性能，有利于提高其作为电极材料的电化学性。
8、在其中一个实施例中，所述双生物质碳源、氮源和活化剂的质量比为1:1:2.5～1:2:3.5。
9、专利技术人在实验探究中，多次尝试调控双生物质碳源、氮源和活化剂koh的配比关系，以期寻求找到兼具微孔和中孔的分级三维蜂窝状结构，具有高比表面积的碳材料。当两种生物质碳源混合且引入氮源后(双生物质碳源与氮源的质量比为1:1)，得到的碳材料呈现互联的多孔结构；当继续加大氮源的量后，微孔和中孔继续增多。然而，随着掺氮比例增加，当双生物质碳源与氮源的质量比超过1:2后，孔开始团聚成坨且不均匀。最终得到上述优化的配比关系。。
10、第二方面，本专利技术提供一种上述双生物质多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
11、s1：分别将芦苇秸秆和单宁酸加热进行预碳化、冷却，得到预碳化芦苇秸秆和预碳化单宁酸；
12、s2：将所述预碳化芦苇秸秆、预碳化单宁酸和三聚氰胺混合并均匀研磨，得到混合前驱体，将所述混合前驱体和koh混合，加适量去离子水浸渍、搅拌、干燥，得到煅烧前驱体；
13、s3：将所述煅烧前驱体在惰性气氛中进行高温煅烧，得到煅烧产物，煅烧温度为600℃～800℃；
14、s4：将所述煅烧产物进行酸洗，得到酸洗产物；
15、s5：将所述酸洗产物进行抽滤，用去离子水洗至中性，经过干燥得到所述双生物质多孔碳材料。
16、本专利技术采用芦苇秸秆和单宁酸为双生物质碳源，利用化学活化法，通过预碳化-浸渍-高温煅烧简便的工艺将致密的材料转化为多孔材料。首先，将双生物质碳源进行预碳化，将预碳化产物和氮源、koh活化剂混合，浸渍后进行高温煅烧，活化剂深入到预碳化产物结构中，使活化后的预碳化产物生长出微观孔隙结构，在600℃～800℃下，氮源迅速分解成含氮物质，如nh3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双生物质多孔碳材料，其特征在于：包括：双生物质碳源、活化剂和氮源，以双生物质碳源为基体，在活化剂和氮源的协同作用下原位合成；所述双生物质碳源包括芦苇秸秆和单宁酸，所述活化剂包括氢氧化钾，所述氮源包括三聚氰胺。
2.如权利要求1所述的双生物质多孔碳材料，其特征在于：所述双生物质多孔碳材料为兼具微孔和中孔的分级三维蜂窝状结构，所述微孔的孔径小于2nm，所述中孔的孔径为2nm～50nm，所述微孔和中孔占全部孔的比例为85％～95％，孔容为0.90cm3 g-1～1.30cm3 g-1，比表面积为1900m2 g-1～2600m2 g-1，掺氮原子比为2％～6％，掺氧原子比为12％～16％。
3.如权利要求1所述的双生物质多孔碳材料，其特征在于：所述双生物质碳源、氮源和活化剂的质量比为1:1:2.5～1:2:3.5。
4.权利要求1～3任一项所述的双生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤S1前，将所述芦苇秸秆经清洗、烘干、粉碎和过筛预处理步骤。
6.如权
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述预碳化芦苇秸秆与所述预碳化单宁酸的质量比为1:0.5～1:1.5；和/或
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S3中，升温速率为4℃/min～6℃/min，保温时间为0.5h～1.5h。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S4中，酸洗采用的酸洗剂为HCl溶液，浓度为1moL/L～3moL/L，酸洗时间为8h～12h。
10.权利要求1～3任一项所述的双生物质多孔碳材料或者由权利要求4～9任一项所述的制备方法得到的双生物质多孔碳材料在制备超级电容器电极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种双生物质多孔碳材料，其特征在于：包括：双生物质碳源、活化剂和氮源，以双生物质碳源为基体，在活化剂和氮源的协同作用下原位合成；所述双生物质碳源包括芦苇秸秆和单宁酸，所述活化剂包括氢氧化钾，所述氮源包括三聚氰胺。
2.如权利要求1所述的双生物质多孔碳材料，其特征在于：所述双生物质多孔碳材料为兼具微孔和中孔的分级三维蜂窝状结构，所述微孔的孔径小于2nm，所述中孔的孔径为2nm～50nm，所述微孔和中孔占全部孔的比例为85％～95％，孔容为0.90cm3 g-1～1.30cm3 g-1，比表面积为1900m2 g-1～2600m2 g-1，掺氮原子比为2％～6％，掺氧原子比为12％～16％。
3.如权利要求1所述的双生物质多孔碳材料，其特征在于：所述双生物质碳源、氮源和活化剂的质量比为1:1:2.5～1:2:3.5。
4.权利要求1～3任一项所述的双生物质多孔碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.如权利要求4...
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